Q开关

2021-04-27 14:17:30 浏览:390

定义

一种光学开关,通常用在激光器中产生纳秒脉冲。

Q开关可以在对激光光束产生非常小或者非常高损耗之间快速转换。这一器件通常用在激光器谐振腔中,实现对激光器进行有源的Q开关,这是一种产生短的强脉冲的方法,脉冲长度在纳秒范围。Q开关还可以与倾腔结合产生脉冲,但是这种情况下对于光开关的具体要求也是不同的。

Q开关的类型

1、声光Q开关

图 1 非共振声光调制器的示意图。换能器产生声波,光束部分的被其衍射

最常见的Q开关类型就是声光调制器。只要声波关闭,晶体或者玻璃片产生的透射损耗就非常小,但是声波打开后,会产生很强的布拉格反射,每次通过产生的损耗在50%左右,在线性激光谐振腔中通过两次会产生75%的损耗。为了产生声波,电子学驱动器需要功率在1W的射频功率(或者在大孔径器件中需要几个瓦特)和100MHz的微波频率(RF)。

器件中存在许多需要权衡的参数。例如,具有很高电光系数的二氧化碲材料需要很小的声波功率,但是损伤阈值比较适中。晶体石英或者熔融二氧化硅可以承担很高的光强,但是也需要更高的声波功率(以及射频功率)。需要的声波功率还与器件的孔径有关:高功率激光器需要大孔径器件,同时也需要更高的声波功率。Q开关产热很多,因此需要采用水冷却装置。而在低功率水平,则只需要传导冷却。

开关速度(或者调制带宽)最终并不是受声光换能器限制,而是由声波速度和光束直径。

为了抑制光学表面的反射,通常需要采用抗反射涂层。还有的Q开关的有源器件工作在布儒斯特角。

2、电光Q开关

Q开关微片激光器需要非常高的开关速度,这时需要采用电光调制器。其中,光的偏振态通过声光效应(普克尔斯效应)被改变,然后采用偏振片就将偏振态的改变转变成对于损耗的调制。与声光器件相比,它需要更高的电压(需要得到纳秒的开关速度),但是不需要射频信号。

机械Q开关,调Q激光器最早常用机械Q开关,大多数情况下以旋转反射镜的形式。其中,一个很小的激光反射镜放置在快速旋转的器件上。反射镜作为线性激光器谐振腔的一个端反射镜。当反射镜接近激光器谐振腔时,脉冲产生。这种方案非常简单且稳定,尤其适用于具有相对长脉冲时间的高功率激光器。

3、无源Q开关

无源开关是饱和吸收器,由激光本身触发。其中,Q开关自身引入的损耗非常小,一旦增益介质中储存足够的能量,激光增益就会大于损耗。激光功率开始缓慢增大,一旦吸收器达到饱和,损耗会减小,净增益增加,激光功率快速增大形成短脉冲。

在无源Q开关YAG激光器中,Cr4+:YAG晶体通常作为无源Q开关。还有其它可用的材料,例如,各种掺杂晶体和玻璃,半导体饱和吸收反射镜尤其适用于产生小的脉冲能量。

关键性质

在选取合适的Q开关时,需要考虑以下因素:

  • 工作波长,会影响所需的抗反射涂层
  • 开放孔径
  • 在高损耗状态(尤其是高增益激光器中)和低损耗状态(影响功率效率)的损耗
  • 开关速度(尤其在短脉冲激光器中)
  • 损伤阈值强度
  • 所需射频功率
  • 冷却要求
  • 装置的尺寸(尤其在小型激光器中)

同时,电子学驱动需要适合Q开关。

参阅:Q开关、调Q激光器、声光调制器、电光调制器、饱和吸收器、半导体饱和吸收反射镜、倾斜腔

光学器件

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