[科普中國]-電光Q開關(guān)

Q開關(guān)可以在對激光光束產(chǎn)生非常小或者非常高損耗之間快速轉(zhuǎn)換。這一器件通常用在激光器諧振腔中，實(shí)現(xiàn)對激光器進(jìn)行有源的Q開關(guān)，這是一種產(chǎn)生短的強(qiáng)脈沖的方法，脈沖長度在納秒范圍。Q開關(guān)還可以與傾腔結(jié)合產(chǎn)生脈沖，但是這種情況下對于光開關(guān)的具體要求也是不同的。

電光Q開關(guān)是Q開關(guān)的一種。

歷史Q開關(guān)由Gordon Gould于1958年發(fā)明，隨后R.W. Hellwarth and F.J 在1961至1962年也獨(dú)立發(fā)明了應(yīng)用于紅寶石激光器的電驅(qū)動(dòng)Q開關(guān)。1

Q開關(guān)的類型聲光Q開關(guān)最常見的Q開關(guān)類型就是聲光調(diào)制器。只要聲波關(guān)閉，晶體或者玻璃片產(chǎn)生的透射損耗就非常小，但是聲波打開后，會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的布拉格反射，每次通過產(chǎn)生的損耗在50%左右，在線性激光諧振腔中通過兩次會(huì)產(chǎn)生75%的損耗。為了產(chǎn)生聲波，電子學(xué)驅(qū)動(dòng)器需要功率在1W的射頻功率（或者在大孔徑器件中需要幾個(gè)瓦特）和100MHz的微波頻率（RF）。

器件中存在許多需要權(quán)衡的參數(shù)。例如，具有很高電光系數(shù)的二氧化碲材料需要很小的聲波功率，但是損傷閾值比較適中。晶體石英或者熔融二氧化硅可以承擔(dān)很高的光強(qiáng)，但是也需要更高的聲波功率（以及射頻功率）。需要的聲波功率還與器件的孔徑有關(guān)：高功率激光器需要大孔徑器件，同時(shí)也需要更高的聲波功率。Q開關(guān)產(chǎn)熱很多，因此需要采用水冷卻裝置。而在低功率水平，則只需要傳導(dǎo)冷卻。

開關(guān)速度（或者調(diào)制帶寬）最終并不是受聲光換能器限制，而是由聲波速度和光束直徑。

為了抑制光學(xué)表面的反射，通常需要采用抗反射涂層。還有的Q開關(guān)的有源器件工作在布儒斯特角。

電光Q開關(guān)Q開關(guān)微片激光器需要非常高的開關(guān)速度，這時(shí)需要采用電光調(diào)制器。其中，光的偏振態(tài)通過聲光效應(yīng)（普克爾斯效應(yīng)）被改變，然后采用偏振片就將偏振態(tài)的改變轉(zhuǎn)變成對于損耗的調(diào)制。與聲光器件相比，它需要更高的電壓（需要得到納秒的開關(guān)速度），但是不需要射頻信號(hào)。

無源Q開關(guān)無源開關(guān)是飽和吸收器，由激光本身觸發(fā)。其中，Q開關(guān)自身引入的損耗非常小，一旦增益介質(zhì)中儲(chǔ)存足夠的能量，激光增益就會(huì)大于損耗。激光功率開始緩慢增大，一旦吸收器達(dá)到飽和，損耗會(huì)減小，凈增益增加，激光功率快速增大形成短脈沖。

在無源Q開關(guān)YAG激光器中，Cr4+：YAG晶體通常作為無源Q開關(guān)。還有其它可用的材料，例如，各種摻雜晶體和玻璃，半導(dǎo)體飽和吸收反射鏡尤其適用于產(chǎn)生小的脈沖能量。2

關(guān)鍵性質(zhì)在選取合適的Q開關(guān)時(shí)，需要考慮以下因素：

工作波長，會(huì)影響所需的抗反射涂層；

開放孔徑；

在高損耗狀態(tài)（尤其是高增益激光器中）和低損耗狀態(tài)（影響功率效率）的損耗；

開關(guān)速度（尤其在短脈沖激光器中）；

損傷閾值強(qiáng)度；

所需射頻功率；

冷卻要求；

裝置的尺寸（尤其在小型激光器中）。

同時(shí)，電子學(xué)驅(qū)動(dòng)需要適合Q開關(guān)。3

參閱Q開關(guān)

調(diào)Q激光器

聲光調(diào)制器

電光調(diào)制器

飽和吸收器

半導(dǎo)體飽和吸收反射鏡

傾斜腔

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

胡啟洲 - 副教授 - 南京理工大學(xué)