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调Q激光器——依靠Q开关的方法发射光脉冲的激光器

时间:2021-07-26 来源:新特光电 访问量:1023

Q开关激光器是一种应用了主动或被动Q开关技术的激光器,从而发射高能光脉冲。这种激光器的典型应用是材料加工(例如切割、钻孔、激光打标)、泵浦非线性频率转换设备、测距和遥感。

Q开关激光器可以连续泵浦或脉冲泵浦,例如来自闪光灯(特别是对于低脉冲重复率)。对于连续泵浦,增益介质应具有较长的上能态寿命,以达到足够高的存储能量,而不是像荧光那样损失能量。在任何情况下,饱和能量都不应太低,因为这会导致增益过大,从而更难以抑制过早出现的激光。后一个问题尤其可能发生在光纤激光器上。另一方面,过高的饱和注量会使有效的能量提取变得困难。

调Q激光器的类型

最常见的类型是主动调Q固态 体激光器。固态增益介质具有良好的能量存储能力,体激光器允许大模式区域(因此具有更高的脉冲能量和峰值功率)和更短的激光谐振腔(例如与光纤激光器相比)。激光谐振腔包含一个有源Q开关——一个光调制器,在大多数情况下是一个声光Q开关。

主动调Q激光器的示意图设置

主动调Q激光器的示意图设置

对于 1 μm 光谱范围内的波长,最常见的脉冲激光器基于掺钕 激光晶体,例如Nd:YAG、Nd:YVO 4或Nd:YLF,尽管掺镱激光增益介质也可以用过的。小型主动调Q固态激光器可以在 10 ns 脉冲中以1 kHz 重复率和100 μJ 脉冲能量发射100 mW 的平均功率。峰值功率则为 ≈ 9 kW。低脉冲重复率(低于逆上能态寿命)可实现最高脉冲能量和最短脉冲持续时间),代价是平均输出功率有所降低。具有10 瓦泵浦源(例如二极管棒)的稍大的 Nd:YAG 激光器可以达到几毫焦耳的脉冲能量。 Nd:YVO 4特别适用于短脉冲持续时间和高脉冲重复率,或用于低泵浦功率的操作。

具有更长发射波长的Q开关激光器通常基于掺铒激光增益介质,例如1.65或2.94μm的Er:YAG,或≈2μm的掺铥晶体。

可以从放大器系统 ( MOPA )获得明显更大的脉冲能量。对于与中等脉冲能量相结合的高平均功率,可以使用光纤MOPA,也称为MOFA。

被动调Q激光器的示意图设置

被动调Q激光器的示意图设置。可饱和吸收体是激光谐振腔内的晶体(例如 Cr:YAG)。

特别是对于低脉冲重复率,灯泵浦可能是一种经济上有利的选择,因为对于给定的峰值功率,放电灯比激光二极管便宜得多。然而,对于更高的功率,二极管泵浦变得更具吸引力,这也是因为激光晶体中的热效应大大降低。

被动Q开关激光器包含一个饱和吸收体(被动Q开关),而不是调制器。对于连续泵浦,可以获得规则的脉冲序列,其中脉冲的定时通常无法通过外部手段精确控制,并且脉冲重复率随着泵浦功率的增加而增加。1-μm 激光器最常用的可饱和吸收体是 Cr:YAG 晶体。

被动调Q微芯片激光器具有特别紧凑的设置。这种激光器通常发射能量在纳焦到几微焦之间、平均输出功率为几十毫瓦、重复率在几千赫兹和几兆赫之间的脉冲。

微片型激光器,被动Q开关与SESAM

微片型激光器,被动Q开关与SESAM。激光晶体的左侧有一层介电涂层,用作输出耦合镜。

通常,被动调Q激光器的平均输出功率比主动调Q激光器更受限制,因为可饱和吸收器会耗散一些能量,从而限制了热效应的发生。请注意,可饱和吸收器通常具有一些非饱和损耗,这通常会将耗散能量增加到远远超出原则上不可避免的水平。

特别是一些较小的Q开关激光器,以及一些具有较长谐振腔的激光器,其中包含一个光学滤波器,例如体积布拉格光栅,在单轴向谐振腔模式下工作。这导致干净的时间形状和小的光学带宽,通常受脉冲持续时间限制。其他激光器在多个谐振腔模式下振荡,这会导致模式 跳动效应:输出光功率被调制为谐振腔往返频率整数倍的频率。

光纤激光器也可以进行主动或被动调Q。然而,全光纤设备在性能方面相当有限,而包含体光元件(例如声光Q开关)的Q开关光纤激光器的鲁棒性和功率不如体激光器。相对较小的模式面积(即使在使用大模式面积光纤时)引入了光纤非线性和激光诱导损坏的问题,这限制了脉冲能量,尤其是可达到的峰值功率。另请注意,光纤激光器中通常非常高的激光增益对激光动力学有重要影响; 特别是,它会导致形成复杂的时间子结构。另一方面,高功率光纤放大器适用于放大平均功率高但脉冲能量适中的脉冲串。这种放大器中某种程度的非线性脉冲失真对于应用来说通常是可以接受的。

主动调Q光纤激光器的设置

主动调Q光纤激光器的设置

设计问题

根据Q开关激光器的设计目标,不同的解决方案可能是合适的。下面列出了一些可能的目标、遇到的问题和权衡:

对于短脉冲持续时间,需要短激光谐振腔和高激光增益。使用微芯片激光器可以获得最短脉冲,因为它们可以具有极短的谐振器,但可获得的脉冲能量适中。紧凑型固态激光器可以实现短脉冲持续时间(几纳秒)与毫焦耳脉冲能量的结合,尤其是端泵浦版本,因为它们具有更高的增益。 薄盘激光器允许非常高的脉冲能量,但由于其相对较小的增益而不适用于非常短的脉冲。

高脉冲能量需要良好的能量存储。对于连续泵送,这意味着需要较长的上能态寿命。这导致掺镱激光增益介质(例如 Yb:YAG)与Nd:YAG相比具有优势,尽管它们通常具有较低的增益并因此产生更长的脉冲。

实际上应该避免过高的增益,因为它会带来通过ASE或寄生激光损失能量的风险。

脉冲重复率通常可以在一个大范围内变化,但是这不仅影响脉冲能量可以实现,还影响脉冲持续时间。

在高光强度下,激光引起的腔内组件(如激光镜)损坏可能是一个问题。因此,不仅在激光晶体中而且在所有谐振腔镜和 Q开关中都需要具有足够大的模式面积的谐振腔设计。特别是与较短的谐振器长度相结合时,这可能难以实现。谐振器设计的数值优化有时可以显着提高性能值,同时提高稳定性、易于对齐和使用寿命长。

通过注入种子可以实现减小的发射线宽。

调Q激光器的应用

调Q激光器具有广泛的应用。一些例子:

  • 激光材料加工,例如激光切割、激光钻孔、激光打标、激光图案化

  • 激光测距仪

  • 用于3D成像的激光雷达

  • 激光诱导击穿光谱

  • 医学应用,例如皮肤病学和纹身去除

  • 非线性频率转换的泵浦装置,例如脉冲光学参量振荡器

  • 荧光光谱

激光安全

即使对于平均输出功率较低的激光器,高脉冲能量和峰值功率也会引起严重的激光器安全问题。在许多情况下,对眼睛的一次射击将是眼睛看到的最后一件事。通过使用在人眼安全波长下工作的Q开关激光器,可以显着降低此类风险。

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