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光学经典导读之八 Ultrafast Lasers 第八章调Q技术

时间：2022-09-22 16:16:11 来源：

Ultrafast Lasers是由瑞士苏黎世联邦理工学院的Ursula Keller教授于2021年出版的最新著作。Keller教授的研究方向为超快激光物理，这本书是她近30年研究与教学的总结。该书共有12章，全面介绍了超快激光基本原理以及各种激光技术和实际应用。上期介绍了第七章：固态激光器中的可饱和吸收体。主要介绍了几种可饱和吸收体，尤其大篇幅介绍了SESAM的特点、性能和损伤阈值等参数。第八章以公式推导计算为主，介绍激光的主动调Q技术与被动调Q技术的基本原理、相应的例子以及被动调Q的SESAM微片激光器。

Q因子代表系统中存储能量与损失能量的比值。采用可以减少谐振腔损耗的光开关将Q因子从低值切换到高值产生脉冲的方法就是调Q技术，这也是激光发明之后第一个成功产生短脉冲的方法。同时调Q技术也分为主动调Q和被动调Q。

图1：Q因子定义

图2是主动调Q的基本原理示意图。如果谐振腔被阻断，此时腔内损耗较高，如图2（a）所示；之后如果长度约为100μs的泵浦脉冲具有足够高的能量来产生比较大的粒子数反转，同时激光腔仍被挡住且不产生受激辐射，此时系统如图2（b）所示，此时损耗不变，增益升高；一旦我们打开开关，如图2（c）所示，此时腔内损耗迅速下降，净增益为正，开始产生脉冲；发展到如图2（d）所示，腔内功率不断增加，反转粒子数减少，直到增益等于总损耗，此时激光功率达到最大水平，但是反转粒子数也远高于稳态值。因此，反转粒子数变得更少，此时增益小于损耗，腔内功率开始衰减。最后，没有剩余的反转粒子数可用，就需要等待下一个泵脉冲再次重复整个过程。但是主动调Q技术一般需要声光调制器或者电光调制器等器件才能实现。

图2：主动调Q的基本原理

主动调Q的过程会产生一个脉宽短、能量高的激光脉冲，其脉冲宽度通常在微秒到纳秒量级。使用微片激光器，甚至可以获得脉宽低于100 ps的脉冲。

图3是使用电光调制器的主动调Q微片激光器原理图（上图）与实物图（下图），由于所用激光晶体非常薄，所以被称为微片激光器。该激光器一般具有体积小、腔长短至几毫米甚至微米量级、结构紧凑和系统简单等特点，可以用作放大器的种子源、激光打标、荧光激发、激光雷达、激光测距、生物医疗等方面。Nd微片激光器可以产生脉宽115ps的脉冲，这是固态激光器主动调Q产生的最短脉冲。

图3：使用电光调制器的主动调Q微片激光器原理图（上图）与实物图（下图）

被动调Q激光器一般使用可饱和吸收体作为Q因子调制器，其过程如图4所示主要分为4个阶段。阶段 1：可饱和吸收体处于未饱和状态。一旦泵浦将增益提升到超过损耗，就会开始产生脉冲，腔内功率P从自发辐射噪声开始缓慢增长，直到强度足以让可饱和吸收体饱和。阶段2：一旦SESAM完全饱和，此时功率增长得更快，直到净增益为零时达到脉冲功率最大值。阶段3：随着增益的进一步耗尽，净增益变为负数，腔内功率逐渐衰减。阶段4：在脉冲发射之后，吸收体恢复并且需要新的泵浦再次将增益提高到阈值水平，然后才能启动下一个周期。

选择Nd：LSB晶体的微片激光器可以产生短至180 ps的脉冲，如果使用Nd：钒酸盐晶体的微片激光器可产生短至37 ps的脉冲。