友思特分享 | 百皮秒+一体化：基于Q开关与增益开关技术的短脉冲激光器

导读

基于主动调Q、被动调Q和增益开关技术的激光器能够产生高能量的瞬时短激光脉冲。友思特提供基于多种调制技术的百皮秒级脉冲激光器，脉宽覆盖独特的50ps~1ns范围，可在科研、医疗与工业领域广泛应用。

产生激光脉冲最直接的方法是在连续激光器外部加一个调制器，即可产生最快皮秒级的脉冲。这种方法虽然简单，但会浪费光能，且峰值功率无法超过连续光功率。所以，产生激光脉冲更高效的方法是激光腔内调制，在脉冲串的off-time存储能量并在on-time释放。Q开关和增益开关是通过激光腔内调制产生短脉冲的常用技术。

1. 调Q激光器

Q值——“品质因数（Quality Factor）”是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标。调Q技术是一种获得高能量短脉冲的有效方法，通过首先调整品质因数为低，让激光器不输出，能量在腔体内聚焦，然后突然调整品质因数为高，激光器的能量就可以在瞬间得到释放。简而言之，调Q技术是将一般输出的连续输出激光压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使光源的峰值功率提升几个数量级的一种技术。

它可以分为主动调Q和被动调Q两种。

调Q技术原理

主动调Q

主动调Q技术通过在激光谐振腔中主动引入或增加一个电光调制器（通常是 Pockels 钠晶）来实现。该调制器会根据外部触发器的电信号来调整谐振腔能量损失，即Q值，从而控制激光的脉冲输出。通常可以在较大的范围内调节激光脉冲的能量和宽度，可以实现高重复频率的超短脉冲输出，以及电学的自动化控制。

主动调Q技术又分为电光调Q与声光调Q。电光调Q主动通过电压的变化来控制增益介质，调制光路的Q值，从而控制输出激光的脉冲。声光调Q主动通过超声波的变化来控制增益介质，调制光路的Q值，从而控制输出激光的脉冲。

使用电光调制器的主动调Q微片激光器原理图与实物图

被动调Q

被动调Q技术则是利用非线性光学材料（如硫化镉）的饱和吸收效应来实现快速的调Q。在被动调Q技术中，不需要外部触发器，而是依靠光学材料自身的特性来实现脉冲生成。被动调Q技术的光学材料在光的照射下，会对光进行吸收，即一开始衰减系数较大，Q值低，随着光学材料对光的吸收的增加，其衰减系数逐步降低，Q值逐步增大，当增加到某个阈值时，输出激光脉冲能量。

被动调Q技术

主动与被动调Q技术的区别

被动调Q技术对于 Q 值的调节范围相对较窄，通常适用于较低频率和较长脉冲宽度的应用，调整的范围完全取决于光学材料自身的特性，不可控，无法实现自动化。但其结构更简单，没有复杂的电光调制器和电子触发器，因此在设计和使用上较为容易。一般也不需要外部电源，更加稳定可靠。

两者在应用上最大的区别在于时间抖动（Jitter）。被动调Q激光器的脉冲重复率将仅取决于吸收体饱和的时间，无法控制激光实际发出脉冲的时间。这非常类似于自由运行的系统，该系统不仅无法控制，而且还会经历脉冲间的变化或抖动（约2ns量级）。另一方面，主动调Q激光器能够在特定时间以特定脉冲重复率触发脉冲，抖动时间更短（约0.2ns量级）这使得将激光与其他仪器同步变得更加容易，例如集成于激光加工的运动臂或用于激光诱导击穿光谱 (LIBS) 的光谱仪。

2. 增益开关激光器（gain switch）

在调Q阶段泵浦一直保持，即增益一直保持不变，通过调节腔内损耗实现短脉冲输出。而增益调制就是对腔内损耗保持不变的情况下，对增益（即泵浦）进行调制。在半导体激光器领域就是直接调制的概念，对电泵浦信号进行调制。在光纤激光器领域也有基于增益开关的脉冲光纤激光器，同样是对泵浦进行调制，即采用脉冲光进行泵浦。

增益开关通过调制泵浦功率产生短脉冲。比如，半导体增益开关激光器通过电流调制能够产生几纳秒到百皮秒的脉冲。虽然脉冲能量低，但是这种方法非常灵活，能提供可调重频和脉宽。

3. 友思特激光器应用

友思特激光器提供基于主动调Q、被动调Q以及增益开关技术的激光器，脉宽覆盖独特的50ps~1ns范围（百皮秒），单脉冲能量最高可达2mJ，紧凑的亚ns激光器，空气冷却，易于使用，在科研、医疗与工业有较大应用前景。

增益开关皮秒微型激光器Angis——激光纹理加工、激光超声以及天体遥感

Angis具有50ps的短脉冲以及10Khz的高重复频率，输出能量可达100uJ，波长提供标准的1064nm以及二次、三次谐波，超紧凑尺寸易于集成。

该激光器能量并不足够高，不能与激光加工的典型激光、飞秒激光器相比；但是优势的短脉冲可以用于激光消融（ablation）、表面纹理加工、标记。除此以外，文献中提到可用该参数脉宽的皮秒激光器用于激光超声研究，作用于样品产生超声信号。

从波长来说，Angis的532nm，10KHz适合遥感应用，比如天文台客户可以利用该激光器追踪天体运动。

主动调Q激光器MPL15100——LIBS、全息种子源，以OPO种子源

MPL15100为主动调Q激光器，具有700ps的脉宽，以及0.5mJ的脉冲能量。目前有应用在LIBS、全息成像系统的种子源，以及OPO种子源。

激光诱导击穿光谱，“Laser Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS”，是基于脉冲激光技术、时间分辨高分辨全谱直读技术的一种元素分析方法，广泛应用于物质分析、成份检测、污染及有害物分析、物质鉴定、激光加工过程分析等领域。

作为原子发射光谱的一种，LIBS通常采用纳秒脉宽、1064nm、50mJ的高功率Nd:YAG脉冲激光器，对样品进行离化、加热。目前皮秒激光器应用于LIBS是一个具有前景的研究方向，这或许可以有更多独特于纳秒激光器的测试结果。

被动调Q激光器系列——医美激光设备种子源、LIBS

被动调Q激光器具有最多的参数选择，其脉冲宽度提供250ps、350ps、450ps、500ps、0.5ns等，脉冲能量覆盖几十uJ-2mJ量级。其应用的范围十分广泛，包括光学研究产生纳米颗粒、LIBS、天体测距等，其中比较重要的应用是作为皮肤医美（纹身去除）激光器设备的种子源。

相较于普通的纳秒激光器，皮秒激光具备脉宽极短（皮秒级别），能在瞬间实现极高的峰值功率，从而对靶色基产生光声作用（光机械作用）的特殊优势，可以将色素颗粒粉碎得更细小，更容易被巨噬细胞等嗜色细胞清除，从而可以减少术后不良反应的发生。该行业设备基本上会使用被动调Q激光器系列，在10Hz下从几十uJ到10mJ，脉冲持续时间从250ps到几个ns。但并不是直接作用于人体，需要采用一些放大器对其进行放大（通常是灯泵浦放大器），将光束扩展到5-10cm左右，从而达到所需的能量，用于纹身的去除。