Q 開關的探討

Q 開關的原理

所謂 Q 開關是利用晶體將雷射的激發能量儲存起來，然後再以短 且強的光脈衝行式放出。也就是調制共振腔的品質因子(quality factor) Q ，定義如下:

圖 2.15 詳細的解釋說明 Q 開關雷射的工作原理，並將雷射脈衝 的形成分為下面兩個階段：

(1) 能量累積：

當光開關處於「OFF」狀態，光開關以吸收或阻擋等方式，阻止 自發輻射的光子於共振腔內來回震盪，此時共振腔處於一個高損耗的 情況，如圖 2.15 (a)所示。光因無法於共振腔內來回震盪放大，而無 法產生雷射輸出，幫浦進增益介質的能量便得以持續的累積，使得雷 射的增益隨著幫浦的增加而提升，直到增益等於共振腔的損耗，如圖 2.15 (b)。

(2) 脈衝輸出：

當雷射增益提高到與共振腔的損耗相當時，光開關迅速打開以提 高雷射品質因子 Q，讓共振腔回復到低損耗的情況下，此時少量的自 發輻射光子經由輸出耦合鏡(output coupler)的反射而於共振腔內來回

之能量 單位時間內共振腔耗損

共振腔內儲存之能量

≡

振盪，如圖 2.15 (c)，由於雷射的增益遠大於損耗，故光以極快的速 度被放大，所有累積的能量在幾十奈秒的時間內被全部釋放出來，產 生一峰值功率極高的雷射短脈衝，如圖 2.15 (d)。

脈衝輸出後，增益介質的居量反轉無法維持，此時光開關再度關 閉，共振腔又再回復到高損耗的情況下，如此循環，便產生一連串的 雷射脈衝。

Cr⁴⁺:YAG 為飽和吸收體的被動式 Q 開關

我們依其控制性可分為主動式(active)與被動式(passive) Q 開關 雷射，兩者的差別在於主動式 Q 開關雷射需藉由外加的驅動電路來

圖 2.15 Q 開關雷射工作原理

(a)

(b)

(c)

(d) 能 量 累 積脈 衝 輸 出

控制光開關的啟閉，而被動式光開關的啟閉則是屬於晶體的自然機 制，並不使用任何外加的調製光源或驅動電路來加以控制。

而我們以 Cr⁴⁺:YAG 做為飽和吸收體，具有化學特性穩定、堅固 耐用、熱傳導性佳、光損壞閥值(optical damage threshold)高達 500 MW/cm² 以及價格便宜等優點，非常適合於高功率 Q 開關雷射的應 用。

如圖 2.16 所示 Cr⁴⁺:YAG 本身是一個四能階系統，當光子入射時 可能會被 1 (ground state)吸收或者被 2 (excited state)吸收，被基態能 階吸收我們稱為 GSA (ground state absorption)，被激發態能階吸收我 們稱為 ESA (excited state absorption)[25],[26]。因為在 Cr⁴⁺:YAG 有著 GSA 和 EAS 的特性，我們在下一章理論模擬將會加以討論。

當入射光很弱時，飽和吸收體的透射率較低為 T₀，稱為初始穿透 率(initial transmission)，圖 2.17 是飽和吸收體的透射率隨入射光強度 變化的曲線，由圖中可以發現，隨著光強度的增加，透射率逐漸增加，

直至入射光幾乎不被吸收而完全穿透。

圖 2.16 Cr⁴⁺:YAG 四能階示意圖

入射光

慢 快

快 4

3

2

1

Cr⁴⁺:YAG 的工作原理如下，當入射光微弱，入射光子少時，入 射光大部分被飽和吸收體吸收時，其透射率較低，對雷射系統而言，

此時的飽和吸收體如同一個關閉的光開關，如圖 2.18(a) ；而當入射 光很強時，基態能階的電子被大量的激發，即使在經過生命期後回到 基態能階，也將立即再度被激發，當大量的基態電子都躍遷至激發態 的能階後，飽和吸收體便無法再吸收入射光，如同一個打開的光開 關，如圖 2.18(b)。此時雷射晶體累積的能量在瞬間釋放，形成一個巨 大的脈衝輸出。當全部能量釋放後，雷射晶體的居量反轉耗盡，腔內 的光功率逐漸降低，此一同時飽和吸收體激發態能階的電子也回到基 態能階，如此過程週而復始便產生了一連串的雷射光脈衝。

光強度 I 1

T0

∞

透射率

圖 2.17 飽和吸收體透射率隨入射光強度變化

(a)

激發態能階

基態能階 入射光

激發態能階

基態能階 入射光

(b)

圖 2.18(a) 飽和吸收體-光開關 off (b) 飽和吸收體-光開關 on