Q开关介绍(图文)

2005/3/12/15:22    这是通过改变激光共振腔Q值，提高激光器输出功率和压缩激光脉冲宽度的技术。

    共振腔的Q值（也称腔的品质因子）是描述激光器共振腔髓损耗大小的量。光学损耗低的腔，其Q值高。

    Q值定义：Q＝２πν腔内存储的能量／每秒损失的能量

    当泵浦源向激光器工作物质输入的能量（功率）达到振荡阈值时，激光器便产生激光振荡。如果泵浦源继续泵浦，维持激光器在阈值以上，它就连续输出激光。激光振荡阈值与共振腔的光学损耗（Ｑ值）有关。如果激光器的工作物质在受泵浦的期间，让共振腔的Ｑ值保持很低，则激光器因振荡阈值很高而不能发生激光振荡，大量的泵浦能量继续存在工作物质内。当工作物质已“吸饱”能量时，突然升高Ｑ值，相应地，激光振荡阈值也突然降低，在阈值之上那部分储存能量便在短时间内发射出来，形成功率很高的激光脉冲。用这个方法得到的能量虽然比自由振荡时得到的激光能量低一个数量级，但是，自由振荡激光器输出的脉冲宽度是毫秒级，而采用Ｑ开关后得到的激光脉冲宽度是几十纳秒量级。使激光器输出功率增加10⁴倍达到10⁵~10⁶KW。

    有两种Ｑ开关，一种是被动Ｑ开关，一种是主动Ｑ开关。

    被动Ｑ开关是由激光器本身完成Ｑ值的变化的。主动Ｑ开关是由外部机械或电子信号使Ｑ值的变化的。常用的Ｑ开关有：

    １、可饱和吸收体Ｑ开关：这是属于被动Ｑ开关。在共振腔内放可饱和吸收染料盒、色心晶体等。它们对腔内的激光透过率是光强的函数，在开始时，共振腔内的受激辐射强度低，它们对光辐射的吸收率大，即共振腔的Ｑ值很低；当工作物质被充分泵浦而达到激光振荡阈值时，它们发生饱和吸收，透过率上升到近100％，共振腔的Ｑ值也随即突然升高到很高的数值。

    ２、电光Ｑ开关：这是主动Ｑ开关。在共振腔内放电光元件和偏振分析器。当给电光元件加上外电场时会使通过的激光的偏振面发生旋转，由此可控制光束通过分析器的透过率。共振腔的Ｑ值与分析器的透过率有关。现在最常见的电光元件是克尔盒和普克尔盒。

    ３、机械Ｑ开关：这是主动Ｑ开关。用马达带动共振腔的一块反射镜高速旋转，当旋转的镜子转到与共振腔另一面反射镜精确平行的位置时，腔的Ｑ值最高，其它位置都比较低，反射镜的转动必须与闪光灯的触发同步，使两块反射镜达到平行时，工作物质已得到充分的泵浦。这种Ｑ开关的主要优点是重复性好，主要缺点是容易产生噪声。

    调Q开关盒（普克尔盒）为固体激光器中经常使用的器件，其质量在激光器调试中非常关键。下图是一个较完整的激光器原理示意图。

    图中YAG为工作物质，M₁，M₂为全反镜，GL为格兰棱镜，PC为普克尔盒，BP为泵浦灯，D为激光电源，CH为频带宽度500MHz示波器，G1为快速光电探头，C1是取样电阻，G2是高压函数发生器。图中，格兰棱镜，普克尔盒，全反镜M₂构成等效可变反射率系统。普克尔盒即KD^*P晶体上的电压不是简单地在0—υ_λ／4之间正跳变或负跳变(υ_λ／4是1/4波电压)，而是按给定的规律进行变化。

　　传统的腔倒空技术中，将反射式Q开关的透反镜更换为可变透射率的透反镜，腔内激光振荡能量达最大时，通过调Q实现透反镜的透射率瞬间变为1，使腔内激光能量瞬间全部倒出腔外。腔倒空方法能够在调Q的基础上进一步压缩脉宽，提高峰值功率输出。缓慢调Q腔倒空是一种调Q按某给定的曲线进行并控制倒光过程的技术。用这种技术可以产生时域上的方波激光脉冲。