調(diào)Q是產(chǎn)生高能脈沖激光最有效的方法。雖然 Q 開關(guān)有許多不同的品種，但它們都遵循相同的基本工作原理。Q 開關(guān)會暫時增加腔損耗，從而人為地提高增益閾值，從而阻止激光器發(fā)光。這個過程允許增益介質(zhì)內(nèi)部的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)增長，直到完全飽和。此時，q 開關(guān)“打開”，導(dǎo)致腔損耗直線下降，降低增益閾值，并允許增益介質(zhì)中存儲的所有能量在一個快速脈沖中發(fā)射。如下圖所示，這個過程會發(fā)射出具有極高峰值功率的極短光脈沖。
雖然 Q 開關(guān)技術(shù)有很多種，特別是包括聲光和電光調(diào)制器，但該技術(shù)作為一個整體可以分為 Q 開關(guān)的兩個主要類別：無源 Q 開關(guān)和 有源Q開關(guān)。主動Q開關(guān)依靠“翻轉(zhuǎn)開關(guān)”的能力來快速調(diào)節(jié)激光器腔損耗。一個完美的例子是聲光調(diào)制器，它在激活時會產(chǎn)生一個光柵，使許多自發(fā)發(fā)射的光子偏轉(zhuǎn)出激光腔，但一旦調(diào)制器關(guān)閉，它就會允許自發(fā)光子通過并啟動受激發(fā)射。另一方面，無源 Q 開關(guān)利用了稱為飽和吸收的過程。飽和吸收源于這樣一個事實：在能級飽和并且材料暫時透明之前，材料在給定波長下可以物理吸收的光量是有限的。因此，如果在激光腔內(nèi)放置可飽和吸收材料。
這兩種調(diào)Q技術(shù)都會產(chǎn)生短脈沖和高峰值功率，但它們各有優(yōu)缺點。例如，主動 q 開關(guān)允許用戶更好地控制何時發(fā)射脈沖，以及因此允許建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)多長時間。但是，另一方面，許多常見的有源 q 開關(guān)，例如普克爾斯盒(利用電光效應(yīng))，通常需要驅(qū)動器在每次觸發(fā)開關(guān)時擺動數(shù)千伏。相比之下，飽和吸收器根本不需要驅(qū)動器，這意味著它們不僅結(jié)構(gòu)緊湊，而且價格也便宜得多。因此，當(dāng)在主動與被動調(diào)Q激光器之間做出決定時，必須牢記四個關(guān)鍵事項。
1、成本
一般來說，主動調(diào)Q激光器總是比被動調(diào)Q器件更昂貴。這一點應(yīng)該是不言自明的，但為了完整起見，有必要指出可飽和吸收器不僅沒有驅(qū)動電子設(shè)備，而且構(gòu)造起來也遠(yuǎn)沒有那么復(fù)雜。因此，如果成本是主要動機，那么您應(yīng)該盡可能尋找被動 Q 開關(guān)解決方案。
2、尺寸
可飽和吸收器作為如此簡單的設(shè)備的另一個好處是它們幾乎可以構(gòu)造成任何可以想象的尺寸。例如，它們通常用于微芯片激光器，其中無源 Q 開關(guān)與激光晶體整體接合。在許多情況下，可飽和吸收器還可以兼作輸出耦合器，從而使光學(xué)腔總長度僅為 1 毫米左右。相比之下，大多數(shù)電光和聲光 Q 開關(guān)的長度可達(dá) 10 厘米，通光孔徑直徑在 1 到 2.5 厘米之間。
3、觸發(fā)
被動調(diào)Q的顯著缺點之一是您無法控制激光實際發(fā)出脈沖的時間。激光器的脈沖重復(fù)率將僅取決于吸收體飽和的時間。這非常類似于自由運行的系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅無法控制，而且還會經(jīng)歷脈沖間的變化或抖動。另一方面，主動調(diào)Q激光器能夠在特定時間以特定脈沖重復(fù)率觸發(fā)脈沖。這使得將激光與其他儀器同步變得更加容易，例如用于激光加工的運動臂或用于激光誘導(dǎo)擊穿光譜 (LIBS) 的光譜儀。
4、脈沖能量
雖然一些無源調(diào)Q開關(guān)能夠產(chǎn)生相當(dāng)大的mJ級激光脈沖，但一般來說，主動調(diào)Q開關(guān)往往會產(chǎn)生更大的脈沖能量。這是因為可以主動控制 q 開關(guān)，以實現(xiàn)全布居反轉(zhuǎn)所需的最大快門時間。因此，q 開關(guān)可以定時打開，其周期與增益介質(zhì)亞穩(wěn)態(tài)的衰減壽命相同，從而產(chǎn)生最大可能的脈沖能量。與無源調(diào)Q相比，一旦吸收器飽和，無論是否已實現(xiàn)最大粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，它將釋放所有存儲的能量。
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