Q 开关 Q switches

2022-10-28 14:08:01 浏览:233

定义

通常用于在激光器中产生纳秒脉冲的光开关。

Q开关(或Q开关器件)是一种快速光开关,即对于通过Q开关的激光束,可以在分别导致非常低或相当高的功率损耗的状态之间快速切换的器件。Q开关用于激光谐振器内,目的是主动Q开关激光器;这是一种产生短强度光脉冲的技术,其中脉冲持续时间通常在纳秒范围内。

类似的器件也可用于产生具有腔体倾倒的脉冲,但在这种情况下,对光开关的详细要求实际上有些不同。

Q开关的类型

声光Q开关

图1:非谐振声光调制器的原理图设置。换能器产生声波,其中光束部分衍射。

最常见的类型是声光调制器。只要声波关闭,通过某些晶体或玻璃片的传输损耗就很小,而声波打开时会发生强烈的布拉格反射,因此每次通过的损耗通常为50%,相当于线性激光谐振器中每双程的75%。为了产生声波,需要一个射频功率量级为1 W(或大孔径设备为几瓦)和射频(RF)量级为100 MHz的电子驱动器。

开关速度(或调制带宽)最终不受声光换能器本身的限制,而受声速和波束直径的限制。后者意味着具有较大光束的高功率激光器的开关速度暂时降低。

有关更多详细信息,请参阅有关声光Q开关的文章。

光电Q开关

对于特别高的开关速度,例如在调Q微芯片激光器中,可以使用电光调制器(Pockels电池)。在这里,光的偏振状态可以通过电光效应(或Pockels效应)进行修改,这可以通过使用偏振器转换为损耗调制。与声光设备相比,需要更高的电压(需要以纳秒级的速度切换),但另一方面没有射频信号。

电光Q开关的典型应用领域是增益相当高的激光器,其中AOM的衍射效率不足。实现短脉冲需要高激光增益。如果需要高脉冲能量但想要限制模面积,例如谐振器设计的限制,激光增益也可能变得很高。

机械式Q开关

特别是在调Q激光器的早期,经常使用机械Q开关 - 主要以旋转镜的形式。在这里,一个小激光镜安装在快速旋转的设备上。反射镜用作线性激光谐振器中的端镜。当反射镜处于关闭激光谐振器的位置时,脉冲就会积聚。这种方法很简单,适用于广泛的光谱区域,不需要特殊部件,并且非常坚固(例如在损伤阈值方面),特别适用于脉冲持续时间相对较长的高功率激光器。在少数情况下仍使用它。

无源Q开关

无源Q开关是由激光本身触发的可饱和吸收器。在这里,Q开关引入的损耗必须足够小,一旦增益介质中存储了足够的能量,就可以被激光增益克服;否则,激光器无法开始操作。然后激光功率首先相对缓慢地上升,一旦达到一定水平,吸收体就饱和,使损耗下降,净增益增加,激光功率可以急剧上升,形成短脉冲。

对于在 1 μm 光谱区域内工作的被动调 Q YAG 激光器,Cr4+:YAG 晶体通常用作无源Q开关。还有其他可能的材料,例如各种掺杂晶体和玻璃,半导体可饱和吸收镜特别适用于小脉冲能量。

关键属性

为了选择合适的Q开关,必须考虑以下几个方面:

  • 工作波长,例如影响所需的增透膜
  • 开孔径
  • 高损耗状态(特别是高增益激光器)和低损耗状态(影响功率效率)的损耗
  • 开关速度(特别是对于短脉冲激光器)
  • 损伤阈值强度
  • 所需的射频功率
  • 冷却要求
  • 设置尺寸(特别是对于紧凑型激光器)

当然,必须选择电子驱动器,以便在各个方面适合Q开关。

光学器件

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