導讀

基于主動調Q、被動調Q和增益開關技術的激光器能夠產生高能量的瞬時短激光脈沖。友思特提供基于多種調制技術的百皮秒級脈沖激光器，脈寬覆蓋獨特的50ps~1ns范圍，可在科研、醫療與工業領域廣泛應用。

產生激光脈沖最直接的方法是在連續激光器外部加一個調制器，即可產生最快皮秒級的脈沖。這種方法雖然簡單，但會浪費光能，且峰值功率無法超過連續光功率。所以，產生激光脈沖更高效的方法是激光腔內調制，在脈沖串的off-time存儲能量并在on-time釋放。Q開關和增益開關是通過激光腔內調制產生短脈沖的常用技術。

1. 調Q激光器

Q值——“品質因數（Quality Factor）”是評定激光器中光學諧振腔質量好壞的指標。調Q技術是一種獲得高能量短脈沖的有效方法，通過首先調整品質因數為低，讓激光器不輸出，能量在腔體內聚焦，然后突然調整品質因數為高，激光器的能量就可以在瞬間得到釋放。簡而言之，調Q技術是將一般輸出的連續輸出激光壓縮到寬度極窄的脈沖中發射，從而使光源的峰值功率提升幾個數量級的一種技術。

它可以分為主動調Q和被動調Q兩種。

調Q技術原理

主動調Q

主動調Q技術通過在激光諧振腔中主動引入或增加一個電光調制器（通常是 Pockels 鈉晶）來實現。該調制器會根據外部觸發器的電信號來調整諧振腔能量損失，即Q值，從而控制激光的脈沖輸出。通常可以在較大的范圍內調節激光脈沖的能量和寬度，可以實現高重復頻率的超短脈沖輸出，以及電學的自動化控制。

主動調Q技術又分為電光調Q與聲光調Q。電光調Q主動通過電壓的變化來控制增益介質，調制光路的Q值，從而控制輸出激光的脈沖。聲光調Q主動通過超聲波的變化來控制增益介質，調制光路的Q值，從而控制輸出激光的脈沖。

使用電光調制器的主動調Q微片激光器原理圖與實物圖

被動調Q

被動調Q技術則是利用非線性光學材料（如硫化鎘）的飽和吸收效應來實現快速的調Q。在被動調Q技術中，不需要外部觸發器，而是依靠光學材料自身的特性來實現脈沖生成。被動調Q技術的光學材料在光的照射下，會對光進行吸收，即一開始衰減系數較大，Q值低，隨著光學材料對光的吸收的增加，其衰減系數逐步降低，Q值逐步增大，當增加到某個閾值時，輸出激光脈沖能量。

被動調Q技術

主動與被動調Q技術的區別

被動調Q技術對于 Q 值的調節范圍相對較窄，通常適用于較低頻率和較長脈沖寬度的應用，調整的范圍完全取決于光學材料自身的特性，不可控，無法實現自動化。但其結構更簡單，沒有復雜的電光調制器和電子觸發器，因此在設計和使用上較為容易。一般也不需要外部電源，更加穩定可靠。

兩者在應用上最大的區別在于時間抖動（Jitter）。被動調Q激光器的脈沖重復率將僅取決于吸收體飽和的時間，無法控制激光實際發出脈沖的時間。這非常類似于自由運行的系統，該系統不僅無法控制，而且還會經歷脈沖間的變化或抖動（約2ns量級）。另一方面，主動調Q激光器能夠在特定時間以特定脈沖重復率觸發脈沖，抖動時間更短（約0.2ns量級）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動臂或用于激光誘導擊穿光譜 (LIBS) 的光譜儀。

2. 增益開關激光器（gain switch）

在調Q階段泵浦一直保持，即增益一直保持不變，通過調節腔內損耗實現短脈沖輸出。而增益調制就是對腔內損耗保持不變的情況下，對增益（即泵浦）進行調制。在半導體激光器領域就是直接調制的概念，對電泵浦信號進行調制。在光纖激光器領域也有基于增益開關的脈沖光纖激光器，同樣是對泵浦進行調制，即采用脈沖光進行泵浦。

增益開關通過調制泵浦功率產生短脈沖。比如，半導體增益開關激光器通過電流調制能夠產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，能提供可調重頻和脈寬。

3. 友思特激光器應用

友思特激光器提供基于主動調Q、被動調Q以及增益開關技術的激光器，脈寬覆蓋獨特的50ps~1ns范圍（百皮秒），單脈沖能量最高可達2mJ，緊湊的亞ns激光器，空氣冷卻，易于使用，在科研、醫療與工業有較大應用前景。

增益開關皮秒微型激光器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的高重復頻率，輸出能量可達100uJ，波長提供標準的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；但是優勢的短脈沖可以用于激光消融（ablation）、表面紋理加工、標記。除此以外，文獻中提到可用該參數脈寬的皮秒激光器用于激光超聲研究，作用于樣品產生超聲信號。

從波長來說，Angis的532nm，10KHz適合遙感應用，比如天文臺客戶可以利用該激光器追蹤天體運動。

主動調Q激光器MPL15100——LIBS、全息種子源，以OPO種子源

MPL15100為主動調Q激光器，具有700ps的脈寬，以及0.5mJ的脈沖能量。目前有應用在LIBS、全息成像系統的種子源，以及OPO種子源。

激光誘導擊穿光譜，“Laser Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS”，是基于脈沖激光技術、時間分辨高分辨全譜直讀技術的一種元素分析方法，廣泛應用于物質分析、成份檢測、污染及有害物分析、物質鑒定、激光加工過程分析等領域。

作為原子發射光譜的一種，LIBS通常采用納秒脈寬、1064nm、50mJ的高功率Nd:YAG脈沖激光器，對樣品進行離化、加熱。目前皮秒激光器應用于LIBS是一個具有前景的研究方向，這或許可以有更多獨特于納秒激光器的測試結果。

被動調Q激光器系列——醫美激光設備種子源、LIBS

被動調Q激光器具有最多的參數選擇，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。其應用的范圍十分廣泛，包括光學研究產生納米顆粒、LIBS、天體測距等，其中比較重要的應用是作為皮膚醫美（紋身去除）激光器設備的種子源。

相較于普通的納秒激光器，皮秒激光具備脈寬極短（皮秒級別），能在瞬間實現極高的峰值功率，從而對靶色基產生光聲作用（光機械作用）的特殊優勢，可以將色素顆粒粉碎得更細小，更容易被巨噬細胞等嗜色細胞清除，從而可以減少術后不良反應的發生。該行業設備基本上會使用被動調Q激光器系列，在10Hz下從幾十uJ到10mJ，脈沖持續時間從250ps到幾個ns。但并不是直接作用于人體，需要采用一些放大器對其進行放大（通常是燈泵浦放大器），將光束擴展到5-10cm左右，從而達到所需的能量，用于紋身的去除。

主動與被動調Q Agrius——藍光440nm，生物醫療，非線性光學

Agrius能量為10uJ。并且具有主動調Q和被動調Q的選擇，差別在于脈沖寬度分別為0.5ns/1ns。其波長比較特殊，880nm以及二次諧波440nm，包含紅光與藍光，在某些生物研究中可能有一定應用。另外，對于差頻、和頻等非線性光學研究也會有所助益。

審核編輯 黃宇