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(dòng)調(diào)Q、被動(dòng)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(shí)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(jí)脈沖激光器，脈寬覆蓋獨(dú)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(gè)調(diào)制器，即可產(chǎn)生最快皮秒級(jí)的脈沖。這種方法雖然簡(jiǎn)單，但會(huì)浪費(fèi)光能，且峰值功率無(wú)法超過(guò)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(chǔ)能量并在on-time釋放。Q開關(guān)和增益開關(guān)是通過(guò)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(píng)定激光器中光學(xué)諧振腔質(zhì)量好壞的指標(biāo)。調(diào)Q技術(shù)是一種獲得高能量短脈沖的有效方法，通過(guò)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(jiǎn)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(gè)數(shù)量級(jí)的一種技術(shù)。

它可以分為主動(dòng)調(diào)Q和被動(dòng)調(diào)Q兩種。

調(diào)Q技術(shù)原理

主動(dòng)調(diào)Q

主動(dòng)調(diào)Q技術(shù)通過(guò)在激光諧振腔中主動(dòng)引入或增加一個(gè)電光調(diào)制器（通常是 Pockels 鈉晶）來(lái)實(shí)現(xiàn)。該調(diào)制器會(huì)根據(jù)外部觸發(fā)器的電信號(hào)來(lái)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(shí)現(xiàn)高重復(fù)頻率的超短脈沖輸出，以及電學(xué)的自動(dòng)化控制。

主動(dòng)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(dòng)通過(guò)電壓的變化來(lái)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(dòng)通過(guò)超聲波的變化來(lái)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(dòng)調(diào)Q微片激光器原理圖與實(shí)物圖

被動(dòng)調(diào)Q

被動(dòng)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(lái)實(shí)現(xiàn)快速的調(diào)Q。在被動(dòng)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(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖生成。被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)的光學(xué)材料在光的照射下，會(huì)對(duì)光進(jìn)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(duì)光的吸收的增加，其衰減系數(shù)逐步降低，Q值逐步增大，當(dāng)增加到某個(gè)閾值時(shí)，輸出激光脈沖能量。

被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)

主動(dòng)與被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)的區(qū)別

被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)對(duì)于 Q 值的調(diào)節(jié)范圍相對(duì)較窄，通常適用于較低頻率和較長(zhǎng)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(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。但其結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，沒(méi)有復(fù)雜的電光調(diào)制器和電子觸發(fā)器，因此在設(shè)計(jì)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(shí)間抖動(dòng)（Jitter）。被動(dòng)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(shí)間，無(wú)法控制激光實(shí)際發(fā)出脈沖的時(shí)間。這非常類似于自由運(yùn)行的系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅無(wú)法控制，而且還會(huì)經(jīng)歷脈沖間的變化或抖動(dòng)（約2ns量級(jí)）。另一方面，主動(dòng)調(diào)Q激光器能夠在特定時(shí)間以特定脈沖重復(fù)率觸發(fā)脈沖，抖動(dòng)時(shí)間更短（約0.2ns量級(jí)）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(yùn)動(dòng)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(guò)調(diào)節(jié)腔內(nèi)損耗實(shí)現(xiàn)短脈沖輸出。而增益調(diào)制就是對(duì)腔內(nèi)損耗保持不變的情況下，對(duì)增益（即泵浦）進(jìn)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(duì)電泵浦信號(hào)進(jìn)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(duì)泵浦進(jìn)行調(diào)制，即采用脈沖光進(jìn)行泵浦。

增益開關(guān)通過(guò)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(guò)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(dòng)調(diào)Q、被動(dòng)調(diào)Q以及增益開關(guān)技術(shù)的激光器，脈寬覆蓋獨(dú)特的50ps~1ns范圍（百皮秒），單脈沖能量最高可達(dá)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(dá)100uJ，波長(zhǎng)提供標(biāo)準(zhǔn)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(shì)的短脈沖可以用于激光消融（ablation）、表面紋理加工、標(biāo)記。除此以外，文獻(xiàn)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(hào)。

從波長(zhǎng)來(lái)說(shuō)，Angis的532nm，10KHz適合遙感應(yīng)用，比如天文臺(tái)客戶可以利用該激光器追蹤天體運(yùn)動(dòng)。

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

MPL15100為主動(dòng)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(shí)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(cè)、污染及有害物分析、物質(zhì)鑒定、激光加工過(guò)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(duì)樣品進(jìn)行離化、加熱。目前皮秒激光器應(yīng)用于LIBS是一個(gè)具有前景的研究方向，這或許可以有更多獨(dú)特于納秒激光器的測(cè)試結(jié)果。

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

被動(dòng)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(jí)。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(cè)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(jí)別），能在瞬間實(shí)現(xiàn)極高的峰值功率，從而對(duì)靶色基產(chǎn)生光聲作用（光機(jī)械作用）的特殊優(yōu)勢(shì)，可以將色素顆粒粉碎得更細(xì)小，更容易被巨噬細(xì)胞等嗜色細(xì)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(huì)使用被動(dòng)調(diào)Q激光器系列，在10Hz下從幾十uJ到10mJ，脈沖持續(xù)時(shí)間從250ps到幾個(gè)ns。但并不是直接作用于人體，需要采用一些放大器對(duì)其進(jìn)行放大（通常是燈泵浦放大器），將光束擴(kuò)展到5-10cm左右，從而達(dá)到所需的能量，用于紋身的去除。

主動(dòng)與被動(dòng)調(diào)Q Agrius——藍(lán)光440nm，生物醫(yī)療，非線性光學(xué)

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

審核編輯 黃宇