Ultrafast Lasers是由瑞士苏黎世联邦理工学院的Ursula Keller教授于2021年出版的最新著作。Keller教授的研究方向为超快激光物理，这本书是她近30年研究与教学的总结。该书共有12章，全面介绍了超快激光基本原理以及各种激光技术和实际应用。上期介绍了第七章：固态激光器中的可饱和吸收体。主要介绍了几种可饱和吸收体，尤其大篇幅介绍了SESAM的特点、性能和损伤阈值等参数。第八章以公式推导计算为主，介绍激光的主动调Q技术与被动调Q技术的基本原理、相应的例子以及被动调Q的SESAM微片激光器。
Q因子代表系统中存储能量与损失能量的比值。采用可以减少谐振腔损耗的光开关将Q因子从低值切换到高值产生脉冲的方法就是调Q技术，这也是激光发明之后第一个成功产生短脉冲的方法。同时调Q技术也分为主动调Q和被动调Q。
图1：Q因子定义
图2是主动调Q的基本原理示意图。如果谐振腔被阻断，此时腔内损耗较高，如图2（a）所示；之后如果长度约为100μs的泵浦脉冲具有足够高的能量来产生比较大的粒子数反转，同时激光腔仍被挡住且不产生受激辐射，此时系统如图2（b）所示，此时损耗不变，增益升高；一旦我们打开开关，如图2（c）所示，此时腔内损耗迅速下降，净增益为正，开始产生脉冲；发展到如图2（d）所示，腔内功率不断增加，反转粒子数减少，直到增益等于总损耗，此时激光功率达到最大水平，但是反转粒子数也远高于稳态值。因此，反转粒子数变得更少，此时增益小于损耗，腔内功率开始衰减。最后，没有剩余的反转粒子数可用，就需要等待下一个泵脉冲再次重复整个过程。但是主动调Q技术一般需要声光调制器或者电光调制器等器件才能实现。
图2：主动调Q的基本原理
主动调Q的过程会产生一个脉宽短、能量高的激光脉冲，其脉冲宽度通常在微秒到纳秒量级。使用微片激光器，甚至可以获得脉宽低于100 ps的脉冲。
图3是使用电光调制器的主动调Q微片激光器原理图（上图）与实物图（下图），由于所用激光晶体非常薄，所以被称为微片激光器。该激光器一般具有体积小、腔长短至几毫米甚至微米量级、结构紧凑和系统简单等特点，可以用作放大器的种子源、激光打标、荧光激发、激光雷达、激光测距、生物医疗等方面。Nd微片激光器可以产生脉宽115ps的脉冲，这是固态激光器主动调Q产生的最短脉冲。
图3：使用电光调制器的主动调Q微片激光器原理图（上图）与实物图（下图）
被动调Q激光器一般使用可饱和吸收体作为Q因子调制器，其过程如图4所示主要分为4个阶段。阶段 1：可饱和吸收体处于未饱和状态。一旦泵浦将增益提升到超过损耗，就会开始产生脉冲，腔内功率P从自发辐射噪声开始缓慢增长，直到强度足以让可饱和吸收体饱和。阶段2：一旦SESAM完全饱和，此时功率增长得更快，直到净增益为零时达到脉冲功率最大值。阶段3：随着增益的进一步耗尽，净增益变为负数，腔内功率逐渐衰减。阶段4：在脉冲发射之后，吸收体恢复并且需要新的泵浦再次将增益提高到阈值水平，然后才能启动下一个周期。
选择Nd：LSB晶体的微片激光器可以产生短至180 ps的脉冲，如果使用Nd：钒酸盐晶体的微片激光器可产生短至37 ps的脉冲。
图4：从速率方程数值积分获得的脉冲功率、损耗和增益演化
下面这个表格总结了不同调Q技术的微片激光器及其参数，可以发现调Q微片激光器输出的脉冲宽度一般是ps量级，脉冲能量多为微焦量级，重频在kHz居多，峰值功率也多在kW量级。Nd：YVO4调Q激光器产生最短脉冲，Yb：YAG调Q激光器产生更高的脉冲能量和峰值功率。
图5：使用不同技术的调Q微片激光器
本章主要讲述了激光的主动调Q与被动调Q技术，同时也介绍了相应的固态调Q激光器与微片激光器的最新进展，最后一节介绍了被动调Q的SESAM激光器的原理与设计参数。
原文标题 : 光学经典导读之八 Ultrafast Lasers 第八章 调Q技术
