激光脉冲原理与调Q原理

激光脉冲原理与调Q原理
按照输出激光的时间特性，激光器可以分为连续激光器和脉冲激光器，脉冲激光的脉宽主要是纳秒，微秒和飞秒。

连续激光器连续不断地输出激光，输出功率一般都比较低，适合于要求激光连续工作(激光通信，激光手术等)的场合；以连续光源激励的固体激光器，以连续电激励方式工作的气体激光器及半导体激光器，均属于连续激光器。

脉冲激光器：是指每间隔一定时间才输出一次激光的激光器，一般具有较高的峰值功率，适合于激光打标，切割，测距等应用。

常见的脉冲激光器包括：固体激光器中的钇铝石榴石(YAG)激光器，红宝石激光器，蓝宝石激光器，钕玻璃激光器等，还有氮分子激光器，准分子激光器等。

脉冲激光器的关键参数：
平均功率：表征在一个完整的周期内(脉冲周期)能量输出的平均速率
峰值功率：表征一个脉冲内(脉宽)输出的能量的速率
脉冲周期：从一个脉冲开始到下一个脉冲的开始之间的间隔(和重复频率是倒数关系) (重复频率：每秒内输出的脉冲个数)
脉宽：一个脉冲的持续时间(例如，一台激光器每秒内输出一个能量为0.5J的激光脉冲，那么它的平均功率就是0.5W；如果相同一台单脉冲能量为0.5J的激光器的脉宽为1微妙，那么它的峰值功率为500000W)
脉冲激光器的分类：
1.长脉冲激光器：
长脉冲激光也被称为准连续激光器，一般产生毫秒ms量级的脉冲，占空比为10%(比较大)；脉冲时间通常为1.5—100ms不等，常用的长脉冲激光包括翠绿宝石激光，半导体激光，Nd:YAG激光，染料激光，红宝石激光，超脉冲CO2激光，铒激光等
2．巨脉冲激光器(调Q激光器)：
在激光腔体内人为的加入损耗，使其大于工作物质的增益，这时抑制激光输出。

但在泵浦源持续不断的激励下，激光上能级的原子数越来越多，得到了较大的粒子数反转，不断积累能量。

在撤除人为加入的损耗情况下，就会在很短的时间内以极快的速度产生脉冲宽度窄，峰值功率高的脉冲激光，通常称为巨脉冲。

调Q：
调Q是许多商用激光器产生脉冲激光的主要方式，为研究出真正具有实用价值的激光器，需不断改进其性能，提高效率和功率、压缩脉冲宽度、改变输出频率。

为此，发明了多种激光调制技术、传输技术、调Q技术、锁模技术、选模技术、稳频技术、频率变换技术等。

实现调Q技术的方法：
主动调Q方法：电光调Q，声光调Q
被动调Q方法：(可饱和吸收)染料调Q，色心晶体调Q(Cr4:YAG晶体可饱和吸收)，转镜调Q
Q值：是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标，是一个品质因数；
Q=2π×谐振腔内储存的能量/每震荡周期损耗的能量；
Q值愈高，所需要的泵浦阈值就越低，亦即激光愈容易起振
调节Q值的途径：
一般采取改变腔内损耗的办法来调节腔内的Q值
调Q的方法是在共振腔内引入一个快速光开关—Q开关：
“关闭”或”低Q”状态：(腔内不能形成振荡而粒子数反转不断得到增强)
“接通”或”高Q”状态：(在腔内形成瞬时的强激光振荡)
可饱和吸收调Q：
某些染料材质具有突变的吸收饱和特点，当波长处于其吸收峰附近入射光信号较弱时，染料媒质对入射光呈现出非常明显的吸收趋势(相当于处于”关闭”状态)；当入射光信号增强到一定程度时，染料媒质对入射光突然呈现出明显的吸收饱和趋势(接通状态)。

光泵脉冲开始后的一段时间，工作物质的初始受激发射信号较弱，染料开关处于关闭状态；当工作物质粒子数反转程度达到最大，受激发射光强增大到足以使染料开关处于吸收饱和状态，从而在腔内接通振荡回路并形成调Q激光输出。

目前，商业化的可饱和吸收体已经发展得非常成熟。

锁模：
激光锁模的目的是压缩脉冲宽度，提高峰值功率。

Q开关激光器一般脉宽达10^-8s-10^-9s量级，如果再压缩脉宽，Q开关激光器已经无能为力，但有很多实际应用需要更窄的脉冲。

目前，获取超快激光一般都采用锁模的方法，锁模技术可将脉冲压缩到10^-11s-10^-14s量级。

(ps或fs量级)
激光器的模式分为纵模和横模,锁模也分为锁纵模、锁横模、锁纵横模三种。

锁纵模：在两反射镜间沿轴进行的光束，由于腔长L与光波波长的比是一个很大的数目，所以必然有数不清不同波长的光波，能符合加强反射的条件2nL=kλ，即2nL=k_1 λ_1=k_2 λ_2=k_3 λ_3=…，k_i(正整数)是纵模模数。

例如：L=800nm, n=1，则k=1时，对应λ_1=1600nm；k=2时，λ_2=800nm；k=3时，λ_3=533nm，使各纵模在时间上同步，频率间隔也保持一定。