友思特分享 | 百皮秒+一體化：基于Q開關(guān)與增益開關(guān)技術(shù)的短脈沖激光器

導(dǎo)讀

基于主動調(diào)Q、被動調(diào)Q和增益開關(guān)技術(shù)的激光器能夠產(chǎn)生高能量的瞬時短激光脈沖。友思特提供基于多種調(diào)制技術(shù)的百皮秒級脈沖激光器，脈寬覆蓋獨特的50ps~1ns范圍，可在科研、醫(yī)療與工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

產(chǎn)生激光脈沖最直接的方法是在連續(xù)激光器外部加一個調(diào)制器，即可產(chǎn)生最快皮秒級的脈沖。這種方法雖然簡單，但會浪費光能，且峰值功率無法超過連續(xù)光功率。所以，產(chǎn)生激光脈沖更高效的方法是激光腔內(nèi)調(diào)制，在脈沖串的off-time存儲能量并在on-time釋放。Q開關(guān)和增益開關(guān)是通過激光腔內(nèi)調(diào)制產(chǎn)生短脈沖的常用技術(shù)。

1. 調(diào)Q激光器

Q值——“品質(zhì)因數(shù)（Quality Factor）”是評定激光器中光學(xué)諧振腔質(zhì)量好壞的指標。調(diào)Q技術(shù)是一種獲得高能量短脈沖的有效方法，通過首先調(diào)整品質(zhì)因數(shù)為低，讓激光器不輸出，能量在腔體內(nèi)聚焦，然后突然調(diào)整品質(zhì)因數(shù)為高，激光器的能量就可以在瞬間得到釋放。簡而言之，調(diào)Q技術(shù)是將一般輸出的連續(xù)輸出激光壓縮到寬度極窄的脈沖中發(fā)射，從而使光源的峰值功率提升幾個數(shù)量級的一種技術(shù)。

它可以分為主動調(diào)Q和被動調(diào)Q兩種。

調(diào)Q技術(shù)原理

主動調(diào)Q

主動調(diào)Q技術(shù)通過在激光諧振腔中主動引入或增加一個電光調(diào)制器（通常是 Pockels 鈉晶）來實現(xiàn)。該調(diào)制器會根據(jù)外部觸發(fā)器的電信號來調(diào)整諧振腔能量損失，即Q值，從而控制激光的脈沖輸出。通?？梢栽谳^大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)激光脈沖的能量和寬度，可以實現(xiàn)高重復(fù)頻率的超短脈沖輸出，以及電學(xué)的自動化控制。

主動調(diào)Q技術(shù)又分為電光調(diào)Q與聲光調(diào)Q。電光調(diào)Q主動通過電壓的變化來控制增益介質(zhì)，調(diào)制光路的Q值，從而控制輸出激光的脈沖。聲光調(diào)Q主動通過超聲波的變化來控制增益介質(zhì)，調(diào)制光路的Q值，從而控制輸出激光的脈沖。

使用電光調(diào)制器的主動調(diào)Q微片激光器原理圖與實物圖

被動調(diào)Q

被動調(diào)Q技術(shù)則是利用非線性光學(xué)材料（如硫化鎘）的飽和吸收效應(yīng)來實現(xiàn)快速的調(diào)Q。在被動調(diào)Q技術(shù)中，不需要外部觸發(fā)器，而是依靠光學(xué)材料自身的特性來實現(xiàn)脈沖生成。被動調(diào)Q技術(shù)的光學(xué)材料在光的照射下，會對光進行吸收，即一開始衰減系數(shù)較大，Q值低，隨著光學(xué)材料對光的吸收的增加，其衰減系數(shù)逐步降低，Q值逐步增大，當增加到某個閾值時，輸出激光脈沖能量。

被動調(diào)Q技術(shù)

主動與被動調(diào)Q技術(shù)的區(qū)別

被動調(diào)Q技術(shù)對于 Q 值的調(diào)節(jié)范圍相對較窄，通常適用于較低頻率和較長脈沖寬度的應(yīng)用，調(diào)整的范圍完全取決于光學(xué)材料自身的特性，不可控，無法實現(xiàn)自動化。但其結(jié)構(gòu)更簡單，沒有復(fù)雜的電光調(diào)制器和電子觸發(fā)器，因此在設(shè)計和使用上較為容易。一般也不需要外部電源，更加穩(wěn)定可靠。

兩者在應(yīng)用上最大的區(qū)別在于時間抖動（Jitter）。被動調(diào)Q激光器的脈沖重復(fù)率將僅取決于吸收體飽和的時間，無法控制激光實際發(fā)出脈沖的時間。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（約2ns量級）。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，抖動時間更短（約0.2ns量級）這使得將激光與其他儀器同步變得更加容易，例如集成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。

2. 增益開關(guān)激光器（gain switch）

在調(diào)Q階段泵浦一直保持，即增益一直保持不變，通過調(diào)節(jié)腔內(nèi)損耗實現(xiàn)短脈沖輸出。而增益調(diào)制就是對腔內(nèi)損耗保持不變的情況下，對增益（即泵浦）進行調(diào)制。在半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域就是直接調(diào)制的概念，對電泵浦信號進行調(diào)制。在光纖激光器領(lǐng)域也有基于增益開關(guān)的脈沖光纖激光器，同樣是對泵浦進行調(diào)制，即采用脈沖光進行泵浦。

增益開關(guān)通過調(diào)制泵浦功率產(chǎn)生短脈沖。比如，半導(dǎo)體增益開關(guān)激光器通過電流調(diào)制能夠產(chǎn)生幾納秒到百皮秒的脈沖。雖然脈沖能量低，但是這種方法非常靈活，能提供可調(diào)重頻和脈寬。

3. 友思特激光器應(yīng)用

友思特激光器提供基于主動調(diào)Q、被動調(diào)Q以及增益開關(guān)技術(shù)的激光器，脈寬覆蓋獨特的50ps~1ns范圍（百皮秒），單脈沖能量最高可達2mJ，緊湊的亞ns激光器，空氣冷卻，易于使用，在科研、醫(yī)療與工業(yè)有較大應(yīng)用前景。

增益開關(guān)皮秒微型激光器Angis——激光紋理加工、激光超聲以及天體遙感

Angis具有50ps的短脈沖以及10Khz的高重復(fù)頻率，輸出能量可達100uJ，波長提供標準的1064nm以及二次、三次諧波，超緊湊尺寸易于集成。

該激光器能量并不足夠高，不能與激光加工的典型激光、飛秒激光器相比；但是優(yōu)勢的短脈沖可以用于激光消融（ablation）、表面紋理加工、標記。除此以外，文獻中提到可用該參數(shù)脈寬的皮秒激光器用于激光超聲研究，作用于樣品產(chǎn)生超聲信號。

從波長來說，Angis的532nm，10KHz適合遙感應(yīng)用，比如天文臺客戶可以利用該激光器追蹤天體運動。

主動調(diào)Q激光器MPL15100——LIBS、全息種子源，以O(shè)PO種子源

MPL15100為主動調(diào)Q激光器，具有700ps的脈寬，以及0.5mJ的脈沖能量。目前有應(yīng)用在LIBS、全息成像系統(tǒng)的種子源，以及OPO種子源。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜，“Laser Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS”，是基于脈沖激光技術(shù)、時間分辨高分辨全譜直讀技術(shù)的一種元素分析方法，廣泛應(yīng)用于物質(zhì)分析、成份檢測、污染及有害物分析、物質(zhì)鑒定、激光加工過程分析等領(lǐng)域。

作為原子發(fā)射光譜的一種，LIBS通常采用納秒脈寬、1064nm、50mJ的高功率Nd:YAG脈沖激光器，對樣品進行離化、加熱。目前皮秒激光器應(yīng)用于LIBS是一個具有前景的研究方向，這或許可以有更多獨特于納秒激光器的測試結(jié)果。

被動調(diào)Q激光器系列——醫(yī)美激光設(shè)備種子源、LIBS

被動調(diào)Q激光器具有最多的參數(shù)選擇，其脈沖寬度提供250ps、350ps、450ps、500ps、0.5ns等，脈沖能量覆蓋 幾十uJ-2mJ量級。其應(yīng)用的范圍十分廣泛，包括光學(xué)研究產(chǎn)生納米顆粒、LIBS、天體測距等，其中比較重要的應(yīng)用是作為皮膚醫(yī)美（紋身去除）激光器設(shè)備的種子源。

相較于普通的納秒激光器，皮秒激光具備脈寬極短（皮秒級別），能在瞬間實現(xiàn)極高的峰值功率，從而對靶色基產(chǎn)生光聲作用（光機械作用）的特殊優(yōu)勢，可以將色素顆粒粉碎得更細小，更容易被巨噬細胞等嗜色細胞清除，從而可以減少術(shù)后不良反應(yīng)的發(fā)生。該行業(yè)設(shè)備基本上會使用被動調(diào)Q激光器系列，在10Hz下從幾十uJ到10mJ，脈沖持續(xù)時間從250ps到幾個ns。但并不是直接作用于人體，需要采用一些放大器對其進行放大（通常是燈泵浦放大器），將光束擴展到5-10cm左右，從而達到所需的能量，用于紋身的去除。

主動與被動調(diào)Q Agrius——藍光440nm，生物醫(yī)療，非線性光學(xué)

Agrius能量為10uJ。并且具有主動調(diào)Q和被動調(diào)Q的選擇，差別在于脈沖寬度分別為0.5ns/1ns。其波長比較特殊，880nm以及二次諧波440nm，包含紅光與藍光，在某些生物研究中可能有一定應(yīng)用。另外，對于差頻、和頻等非線性光學(xué)研究也會有所助益。

審核編輯 黃宇