前言

調(diào) Q 激光器是脈沖激光器的一種類(lèi)型（或?qū)γ}沖激光器的一種改造形式），它能縮短輸出脈沖寬度、提高峰值輸出功率，并增強(qiáng)脈沖間輸出的穩(wěn)定性。

調(diào)Q激光如何實(shí)現(xiàn)

對(duì)于普通脈沖激光器而言，泵浦源會(huì)將激光工作物質(zhì)中的激活原子激發(fā)至高能級(jí)。在這一過(guò)程中，幾乎在泵浦的同時(shí)，就會(huì)有部分原子發(fā)生衰變，并在此過(guò)程中釋放出光子，這一現(xiàn)象被稱(chēng)為自發(fā)輻射。

當(dāng)足夠多的原子處于高能級(jí)（即實(shí)現(xiàn) “粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”），且其中一個(gè)光子恰好沿特定方向發(fā)射 — 能夠在諧振腔的兩個(gè)反射鏡之間來(lái)回反射時(shí)，激光作用便會(huì)啟動(dòng)：該光子會(huì)觸發(fā)其他原子發(fā)生類(lèi)似的能級(jí)躍遷，促使更多光子釋放（即受激輻射)。然而，由此產(chǎn)生的激光脈沖寬度會(huì)相對(duì)較寬，且不同脈沖的形狀也存在隨機(jī)性。

調(diào) Q 激光器的核心設(shè)計(jì)思路是：在泵浦脈沖結(jié)束后、大部分原子都已被激發(fā)至高能級(jí)（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達(dá)到盡可能完全的狀態(tài)）之前，暫時(shí)抑制諧振腔的正常工作。其所謂的 “Q 值”（品質(zhì)因數(shù)）會(huì)通過(guò) “失效” 其中一個(gè)反射鏡的方式被降低。實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程的方式有兩種：

• 機(jī)械方式：直接旋轉(zhuǎn)反射鏡，或旋轉(zhuǎn)位于反射鏡與激光工作物質(zhì)之間的棱鏡等光學(xué)元件。

• 電光方式：在類(lèi)似位置采用泡克耳斯盒（一種由電信號(hào)高速控制的光學(xué)快門(mén)）等元件。

當(dāng)諧振腔無(wú)法正常諧振（如反射鏡被遮擋或角度偏離）時(shí)，受激輻射便無(wú)法累積。此時(shí)仍會(huì)存在自發(fā)輻射，但它對(duì)高能級(jí)原子的消耗非常微小。

在泵浦過(guò)程剛結(jié)束的瞬間，Q 值會(huì)被迅速恢復(fù)，諧振腔重新恢復(fù)完整狀態(tài)（例如，反射鏡旋轉(zhuǎn)至與光軸垂直的角度）。這一刻，由于粒子數(shù)已接近完全反轉(zhuǎn)，激光作用會(huì)立即啟動(dòng)，每次都能產(chǎn)生脈沖寬度短、強(qiáng)度高且穩(wěn)定性強(qiáng)的激光脈沖，同時(shí)泵浦能量的利用效率也更高。其峰值光輸出功率遠(yuǎn)高于未采用調(diào) Q 技術(shù)的激光器。

由于調(diào) Q 激光的脈沖持續(xù)時(shí)間極短（通常以納秒、皮秒為單位，甚至更短），即便是中等尺寸的激光器，也能產(chǎn)生兆瓦級(jí)或吉瓦級(jí)的峰值功率。

對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)式調(diào) Q 裝置，會(huì)使用傳感器在反射鏡或其他光學(xué)元件旋轉(zhuǎn)至正確位置的瞬間，觸發(fā)閃光燈（泵浦源）。而對(duì)于克爾盒（另一種電光調(diào) Q 元件）類(lèi)型的裝置，則會(huì)通過(guò)延遲電路，在閃光燈被觸發(fā)后的精確時(shí)間點(diǎn)打開(kāi)光學(xué)快門(mén)。

調(diào) Q 激光器通常為固體光泵浦型激光器（例如釹摻雜釔鋁石榴石激光器（Nd:YAG）、紅寶石激光器等），但該技術(shù)同樣可應(yīng)用于許多其他類(lèi)型（并非全部）的激光器。

我們可以把它想象成一道 “水壩”

• 建造水壩（儲(chǔ)能）：在普通的連續(xù)激光器中，激光介質(zhì)（如晶體、光纖）產(chǎn)生的能量會(huì)持續(xù)地以激光的形式釋放出來(lái)，功率不高。調(diào)Q技術(shù)則不同，它通過(guò)在激光器的諧振腔內(nèi)插入一個(gè)“開(kāi)關(guān)”（即Q開(kāi)關(guān)），在泵浦源（能量來(lái)源）工作時(shí)，先阻止激光的產(chǎn)生。就像修建一座水壩，把水（能量）攔起來(lái)，讓水位（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）積累得非常高。

• 瞬間開(kāi)閘（釋放）：當(dāng)能量在激光介質(zhì)中儲(chǔ)存到最大值時(shí)，瞬間打開(kāi)“開(kāi)關(guān)”（Q開(kāi)關(guān)）。此時(shí)，所有被儲(chǔ)存的能量會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)（通常是納秒，即十億分之一秒）以激光的形式雪崩式地噴涌而出。

• 形成巨脈沖（結(jié)果）：這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生的不再是溫和的連續(xù)激光，而是一個(gè)能量極高、持續(xù)時(shí)間極短的激光脈沖，即“巨脈沖”。雖然這個(gè)脈沖的總能量可能并不巨大，但因?yàn)槠鋾r(shí)間極短，所以峰值功率可以達(dá)到非常驚人的水平。

注意事項(xiàng)

調(diào) Q 激光器的峰值功率極高，這類(lèi)激光器可能屬于IV 類(lèi)激光器（最高危險(xiǎn)等級(jí)）！若您正在使用或嘗試維修此類(lèi)激光器，務(wù)必采取極高的防護(hù)措施。

對(duì)于部分運(yùn)行在功率極限附近的激光器，若諧振腔未完全對(duì)準(zhǔn)，在調(diào) Q 模式下嘗試以接近滿(mǎn)功率運(yùn)行時(shí)，可能會(huì)損壞光學(xué)元件。因此，應(yīng)在激光器自由運(yùn)行模式（非調(diào) Q 模式，即反射鏡已調(diào)整至垂直角度或快門(mén)處于打開(kāi)狀態(tài)）下進(jìn)行測(cè)試和對(duì)準(zhǔn)操作。在啟用調(diào) Q 模式前，需使用電荷耦合器件（CCD）或其他光束輪廓分析技術(shù)，將激光束調(diào)整為完全對(duì)稱(chēng)的狀態(tài)。

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