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一文了解什么是调Q激光器
材料来源:瑞利光电           录入时间:2024/1/12 23:02:49

固体激光器是最常见也是从技术角度而言最重要的调Q激光器类型,但是光纤激光器也能以调Q工作,并可通过光纤放大器提高平均功率,而微片激光器则以极短的腔长提供更窄的脉宽。

主动和被动调Q

主动调Q激光器通过调制器主动调制腔内损耗。比如在腔内插入声光调制器,施加RF功率时使部分光束通过衍射溢出腔外,激光介质中存储高能量后忽然关闭RF功率形成并输出激光脉冲。

被动调Q激光器通过可饱和吸收体调制腔内损耗。对于可饱和吸收体,低强度光被吸收,高强度光透射,因此可通过腔内光强被动调制损耗。

用于调Q的可饱和吸收体一般是掺杂过渡金属离子的晶体或玻璃。比如,Cr4+:YAG晶体常用于1.064μm Nd:YAG激光器(包括微片激光器),V3+:YAG晶体则适合1.3μm激光器。调制深度取决于掺杂浓度和晶体长度,而饱和能量可通过吸收体中的模场调节。可饱和吸收离子也可掺杂在光纤中。

半导体可饱和吸收反射镜(SESAM)特别适合微片激光器,它几乎不增加腔长,所以脉宽可以非常窄,而且性能参数还可通过设计和材料优化。另外,可饱和吸收体还可以是掺量子点(比如硫化铅)的玻璃、染料溶液甚至气体。

调Q固体激光器

固体激光介质一般掺杂三价稀土离子,比如钕、镱和铒,也有少数掺杂钛和铬等过渡金属离子。下表列出了一些最常用的固体调Q增益介质及其主要特性。

小型主动调Q固体激光器通过1到20W激光二极管连续泵浦可产生高达10mJ量级的脉冲能量(比如1kHz重频和10W平均功率)。典型脉宽在几到几百纳秒,对于100ns脉宽,10mJ脉冲能量对应约90kW峰值功率。被动调Q激光器的脉冲能量一般更低。

对于更高能量但低重频激光(所以平均功率一般),可以使用脉冲泵浦,比如准连续二极管或闪光灯泵浦。使用不是很大的闪光灯泵装置可产生数焦耳的脉冲能量。

对于高平均功率和中高重频,一般使用高功率激光二极管连续泵浦。比如,碟片式Yb:YAG激光器能以较长脉宽(比如1μs)输出数百瓦平均功率。掺钕板条激光器可产生更短的脉宽,并且输出高功率、高质量光束。提高功率的另一种方法是使用主振荡功率放大器(MOPA)结构。

调Q微片激光器

微片激光器具有非常短的腔,特别是通过半导体可饱和吸收镜(SESAM)被动调Q工作。因为光场几乎不穿透SESAM,所以腔长基本只取决于晶体厚度。下图所示为SESAM被动调Q微片激光器的基本结构。

如果晶体具有高泵浦吸收率和高增益,比如Nd:YVO4晶体,可产生远小于100 ps的脉宽,但是脉冲能量一般无法超过1μJ太多。这种激光器的困难之一是制备既具有高调制深度、饱和能量也不太低的SESAM组件。饱和能量太高可能造成SESAM损伤。

微片激光器也可通过小型电光调制器以主动调Q工作,但由于腔长增加,脉宽也因此变长。微片激光器可实现非常高的脉冲重频,比如被动调Q可达到数MHz级别,但是提高重频时脉宽也会更长。

短腔也更容易实现单模输出。尽管脉冲能量低,但由于脉宽窄,所以峰值功率较高,足够实现高效的非线性频率转换。所以,微片激光器能以很紧凑的系统提供可见光、紫外或中红外输出。

光纤激光器

光纤激光器也能主动或被动调Q工作,但是实施有所局限:

适合全光纤器件的调制器选择有限,而且主要用于很小模场的单模光纤,因此非线性效应、光纤损伤和放大自发辐射(ASE)非常限制性能。

使用包层泵浦大模场光纤可显著提高能量(比如1mJ以上),但是此类系统需要在腔内使用块体光学组件,这样将失去全光纤的技术优势,而且性能无法达到固体激光水平。

下表总结了调Q光纤激光器的一些发展进程,数据来源Fiber Lasers (CRC出版社,2016年版)。

但是,通过高功率光纤放大器可放大脉冲,提高平均功率,即使脉冲能量一般。放大器中可能存在一定的非线性脉冲畸变,不过在其应用中也可以接受。

转自:瑞利光电

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