歷史
Q開關由Gordon Gould於1958年發明,隨後R.W. Hellwarth and F.J 在1961至1962年也獨立發明了套用於紅寶石雷射器的電驅動Q開關。
Q開關的類型
聲光Q開關
最常見的Q開關類型就是聲光調製器。只要聲波關閉,晶體或者玻璃片產生的透射損耗就非常小,但是聲波打開後,會產生很強的布拉格反射,每次通過產生的損耗在50%左右,線上性雷射諧振腔中通過兩次會產生75%的損耗。為了產生聲波,電子學驅動器需要功率在1W的射頻功率(或者在大孔徑器件中需要幾個瓦特)和100MHz的微波頻率(RF)。
器件中存在許多需要權衡的參數。例如,具有很高電光係數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矽可以承擔很高的光強,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:高功率雷射器需要大孔徑器件,同時也需要更高的聲波功率。Q開關產熱很多,因此需要採用水冷卻裝置。而在低功率水平,則只需要傳導冷卻。
開關速度(或者調製頻寬)最終並不是受聲光換能器限制,而是由聲波速度和光束直徑。
為了抑制光學表面的反射,通常需要採用抗反射塗層。還有的Q開關的有源器件工作在布儒斯特角。
電光Q開關
Q開關微片雷射器需要非常高的開關速度,這時需要採用電光調製器。其中,光的偏振態通過聲光效應(普克爾斯效應)被改變,然後採用偏振片就將偏振態的改變轉變成對於損耗的調製。與聲光器件相比,它需要更高的電壓(需要得到納秒的開關速度),但是不需要射頻信號。
無源Q開關
無源開關是飽和吸收器,由雷射本身觸發。其中,Q開關自身引入的損耗非常小,一旦增益介質中儲存足夠的能量,雷射增益就會大於損耗。雷射功率開始緩慢增大,一旦吸收器達到飽和,損耗會減小,淨增益增加,雷射功率快速增大形成短脈衝。
在無源Q開關YAG雷射器中,Cr :YAG晶體通常作為無源Q開關。還有其它可用的材料,例如,各種摻雜晶體和玻璃,半導體飽和吸收反射鏡尤其適用於產生小的脈衝能量。
關鍵性質
在選取合適的Q開關時,需要考慮以下因素:
工作波長,會影響所需的抗反射塗層;
開放孔徑;
在高損耗狀態(尤其是高增益雷射器中)和低損耗狀態(影響功率效率)的損耗;
開關速度(尤其在短脈衝雷射器中);
損傷閾值強度;
所需射頻功率;
冷卻要求;
裝置的尺寸(尤其在小型雷射器中)。
1.工作波長,會影響所需的抗反射塗層;
2.開放孔徑;
3.在高損耗狀態(尤其是高增益雷射器中)和低損耗狀態(影響功率效率)的損耗;
4.開關速度(尤其在短脈衝雷射器中);
5.損傷閾值強度;
6.所需射頻功率;
7.冷卻要求;
8.裝置的尺寸(尤其在小型雷射器中)。
同時,電子學驅動需要適合Q開關。
參閱
•Q開關
•調Q雷射器
•聲光調製器
•電光調製器
•飽和吸收器
•半導體飽和吸收反射鏡
•傾斜腔