第二章 Q-開關雷射介紹
2.3 Q-開關雷射的動作機制
在脈衝式雷射中，擔任腔內品質因子 Q 調制工作的元件稱為 Q 開關。Q 開關在共 振腔內的角色就如同水庫的閘門似的，控制著輸出與否(圖 2-1)；當 Q 開關打開時共 振腔內的損耗就會增加(low-Q)，此時腔內的增益小於損耗而無法共振出光，因此增 益介質上的居量反轉濃度(population inversion)並不會減少，且其閥值反轉濃度會 持續增加至比穩定態(CW 輸出模式)高。當 Q 開關關掉時，則腔內的損耗會突然下降，
此時腔內的增益遠大於損耗，光子在瞬間大量的產生，因此會有一個能量很高的脈衝 雷射輸出，同時增益會很快地往下掉，當掉到與腔內的損耗相同時(臨界點 threshol d)，光子密度(photon density)達到最高值，接著增益繼續掉到臨界點以下，光子很 快就消失了，這整個產生脈衝雷射的過程大約只有幾個到幾十個奈米秒而已，而脈衝 寬度越窄，所得到的脈衝峰值功率也就越高。
2.3-1 A-O 做為主動式 Q-開關的動作機制
[1]在聲光(A-O)晶體 Q-開關裝置中，超聲波被發射進入一穿透性的光學材料。當超 聲波穿過時，此光學材料的行為就像是一個光學相位光柵。這是由於 A-O 晶體本身之 光彈性效應使然；所謂光彈性效應就是指當材料本身受到外加的應力時，其光學折射 率會因此而改變的特性。我們利用微波(rf)訊號來控制 A-O 晶體的動作；在 A-O 晶體 尾端的壓電材料，傳送擾動進入 A-O 晶體，A-O 晶體受此擾動，其內部的原子密度產 生一疏一密週期性的變化：
cos( )
o st k ts
ρ ρ ω
∆ = ∆ − (2.1) 其中ωs為聲波的頻率，k 為波數，s ks =2π/λs。而 A-O 晶體的折射率也跟著原子密 度的變化產生週期性的變化：
3
cos( ) 2
o
o s s
n n pS ω t k t
∆ = − − (2.2)
P 為光彈性係數，S 為外加應力大小。 o
週期性變化的折射率就像縱波一樣，其在 A-O 晶體中的行進速率與聲波相同，波 前為垂直於聲波行進方向。又因為光速是聲速的約 100000 倍，因此當光進入晶體時，
A-O 晶體的效果就如同是個光柵，其週期與聲波波長等寬而且振幅正比於聲波的振 幅。當光束入射此光柵，大部分的光即會被繞射脫離原方向至一個甚至更多不同的方 向(圖 2-2)。整個過程就像 X-ray 對晶格產生繞射是一樣的情形，產生如同布拉格散 射(Bragg Scattering)的效果。布拉格散射的條件為：
2
lλ >>λs (2.3) 在布拉格散射的情況下，光束以及超聲波會因輕微的補償作用而夾一布拉格角 (Bragg angle):
sin 2 s
因此如果入射光的波長為 1064nm，微波訊號的頻率操作在 50MHz，晶體折射率 n=1.45，聲速為 3.76×105cm/s(在 A-O 晶體中)，可得波長為
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值的狀態；當無超聲波傳入時，A-O 晶體就可回到高光學穿透率的常態，此時帶著超 高峰值功率的脈衝光就產生了。
2.3-2 Cr
4+：YAG 作為被動式 Q-開關的動作機制
[1]被動式 Q-開關雷射是個擁有高穿透性質的光學元件，通常材料是有機染料或者 是摻雜離子的晶體。當腔內光子流的能量增加時，材料的穿透率開始變高；在光子流 能量到達夠高的等級時，材料開始飽和(saturates)或稱透明(bleaches)，並產生高 光學穿透率。飽和吸收體會有飽和(透明)的現象是基材料內部於原子光譜的躍遷；當 一放置於雷射共振腔內的飽和吸收體，對於此雷射波長有著強吸收時，將會阻止雷射 的振盪過程。當腔內增益(gain)增加而超過損耗(loss)時，光子流急速增加而造成被 動式開關飽和，而使得晶體變透明。在此情形下，損耗急速降低，光子得以在腔內來 回共振，而輸出脈衝光。
因此，被動式 Q-開關之動作與否是由雷射光本身所控制，而不需要高電壓、快 速的電光晶體驅動器或是射頻(rf)調制器。跟主動式 Q-開關比起來，被動式 Q-開關 提供了一個設計簡單而且體積小、緊湊且便宜的系統。但是跟使用主動式的 Q-開關 雷射比起來，缺點為無法精準的控制需要的重複率以及較低的輸出功率。輸出的功率 較低是由於殘餘的吸收率使得雷射共振腔有損耗使然。
目前應用最廣泛的被動式 Q-開關為摻雜有吸收離子的晶體，其中最普遍的為摻 四價鉻的釔鋁石榴石晶體 Cr4+：YAG。其中的 Cr4+離子對於雷射的波長的吸收截面積 大，且 YAG 提供了良好的化學、熱導以及機械性質，使得此材料的使用生命期長。因 為其具有寬範圍的可調變雷射輸出性能(即也可作為共振腔內的增益介質，放出的雷 射波長範圍在(1.34~1.58μm)。Cr4+：YAG 與其他被動式的飽和吸收體相比，其可飽 和吸收特性十分顯著，且具有穩定、可靠、耐用、熱導性好、摻雜濃度高、飽和光強 小等優點。