调Q纳秒脉冲激光器在工业中的应用

前言

激光（Laser）的诞生乃是上个世纪科学技术的巨大飞跃，其发端源自受激辐射的光放大过程。它以其集合了相干性、量子性和非线性的卓越特性而引人注目。具体而言，激光呈现出四个重要的特征，每一个都彰显其独特之处：

• 方向性：几乎可媲美理想的平行光线，激光束的发散角度可降至10-3 毫弧度级别，以维持其出众的准直特性
• 单色性和相干性：常见的氦氖激光的线宽与波长之比可达到10-11 ~ 10-13 的数量级
• 高亮度：常用的大功率钕玻璃激光的亮度比起日光还要高16 个数量级
• 高峰值功率密度：得益于超短脉冲技术的问世，激光能够在极短的时间内释放巨大能量，使得其峰值功率密度达到了前所未有的水平

脉冲激光器作为一种独特的激光器，其产生并输出以脉冲形式呈现的激光光束。相较于连续激光器，脉冲激光器能够在极短的时间内释放高峰值功率的激光脉冲。这使得脉冲激光器在科学研究、医学、通信、材料加工等领域中得到广泛应用。脉冲激光器的独特特性使其成为了现代技术和创新的驱动力，为众多行业带来了前所未有的机遇和突破。

脉冲激光器是如何工作的?

脉冲激光器与连续波激光器不同，其具有广泛的应用，包括材料加工、科学研究、医疗程序和电信。那么，脉冲激光器背后的关键原理包括哪些呢？

• 增益介质：与连续波激光器类似，依靠增益介质来放大光能量。
• 泵浦：脉冲激光器需要外部能量源来激发增益介质中的原子或分子到更高的能量状态。此过程被称为“泵送”
• 粒子数反转：泵浦过程在增益介质中产生粒子数反转，这意味着处于激发态的原子或分子比处于基态的要多
• 光学腔：与连续波激光器类似，脉冲激光器有光学腔，其光学腔由两反射镜组成。一面为全反射镜，而另一面部分透明。这个空腔允许光来回反射，增强光的强度
• Q开关：Q开关是脉冲激光器工作的关键，它是一种暂时阻止激光到达高能量条件的技术
• 脉冲形成：一旦Q开关打开，高能量增益介质释放能量，形成短时间、高强度的激光脉冲
• 短脉冲持续时间：脉冲激光器产生非常短的脉冲，通常在纳秒(10-9秒)或皮秒(10-12秒)范围内。短脉冲持续时间使其适用于材料烧蚀，精密加工和时间分辨光谱等应用。

脉冲激光器的分类有哪些?

根据脉冲时间的不同，脉冲激光器可分为纳秒脉冲激光器、皮秒脉冲激光器和飞秒脉冲激光器。

• 纳秒脉冲激光器：
  • 特性：发射纳秒范围内的超短脉冲(10-9秒)，具有最小的热影响
  • 用途：材料加工、激光打标、测距
• 皮秒脉冲激光器：
  • 特性：释放更短的脉冲在皮秒范围(10-12秒)。热影响及精度均衡
  • 应用：纹身去除，超快光谱
• 飞秒脉冲激光器：
  • 特性：飞秒范围内的闪电脉冲(10-15秒)，适合完成最精细的任务
  • 应用：显微外科、眼科矫正、材料消融

什么是调Q技术?

Q开关（Q-switch）技术是一种在脉冲激光器中用于产生短而强的激光脉冲的技术。它代表“质量转换”。想象一下，一个水龙头通常是开着的，让水不断流动。相反，要产生水脉冲，你需要暂时关闭水龙头，然后突然打开它。而Q开关有类似的作用：

• 暂时关闭：Q开关暂时阻止激光从激光腔中逸出，就像关闭水龙头一样
• 能量积累：当激光被阻挡时，增益介质(激光的“燃料”)中的能量继续增加
• 突然释放：当能量达到较高水平时，“Q开关”迅速打开，使储存的能量以短而强的激光脉冲的形式爆发出来

Q开关可使激光在如此短的时间间隔内反复开关，产生高能量、短持续时间的激光脉冲，其在激光切割、打标和科学实验等领域具有广泛应用，我们可以想象成把一束稳定的光变成强大的激光爆发。

调Q开关是如何实现的？

Q开关是一种用于脉冲激光器的光学装置，它的主要作用是控制激光脉冲的产生。Q开关实现的方式可以分为两种主要类型：电光学调Q（electro-optic Q-switching）和声光学调Q（acousto-optic Q-switching）。

1. 电光学调Q

• 工作原理：电光学Q开关利用电场的影响来调控光的传播性质。它通常包括一个透明晶体，如锂钠硫化镁晶体，以及电极。当电场被施加到这个晶体上时，它的光学特性会发生改变，使得光可以被阻止或通过。

• 操作方式：在Q开关操作中，电场在晶体中被调制，将光束阻挡住，使其在激发介质内累积能量。一旦能量达到足够高的水平，电场被移除或切断，导致光脉冲的快速释放。

2. 声光学调Q

• 工作原理：声光学Q开关使用声波的效应来控制光的传播。它包括一个晶体，通常是锌硒或硅，以及声波源。声波通过晶体传播时，会改变晶体的折射率，从而影响光的传播。
• 操作方式：在Q开关操作中，声波源会发送声波信号，改变晶体中的折射率，使光束在激发介质中累积能量。当达到所需的能量水平时，声波源停止发出声波，导致光脉冲的释放。

脉冲激光器技术的限制

• 能量稳定性：许多脉冲激光器受到能量稳定性的限制。波动或不稳定的能量输出可能不适用于某些应用，如精确材料加工或医学手术。
• 脉冲宽度：一些脉冲激光器的脉冲宽度较长，这可能限制了它们在需要极短脉冲的应用中的使用，例如高精度图像处理或超快光谱学
• 光束质量：光束质量是一个关键因素，它受到某些脉冲激光器技术限制的影响。高质量的光束对于一些应用非常重要，如激光微加工和激光成像
• 成本：一些高性能脉冲激光器的成本较高，这可能对研究和商业应用造成经济压
• 可靠性：在一些情况下，脉冲激光器可能在长时间运行或在恶劣环境条件下的可靠性受到限制

为了克服这些挑战，友思特向您推荐

紧凑型亚纳秒高能二极管泵浦固态激光器

友思特提供多种紧凑型亚纳秒高能二极管泵浦固态激光器，我们专注Q开关、短脉冲（亚纳秒、皮秒）激光器，满足需要高脉冲能量和低重复率的应用，包括 LIBS、OLED 修复和医疗应用。

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1. 二极管泵浦纳秒/皮秒被动调Q激光器

MPL2210 系列 DPSS 被动调Q皮秒激光器最高可在 100 Hz 重复频率下提供 7 MW 高峰值功率。短激光腔固定在热稳定和受控的底板上，可提供极其稳定的输出参数性能。占用空间小更适合集成到OEM激光器中。脉冲持续时间低至250 ps，高脉冲能量在1064 nm波长处超过2 mJ，1 Hz – 100 Hz的可变重复率在众多应用领域中展现了极大的潜力。

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MPL15100 系列坚固耐用的DPSS主动Q开关亚纳秒激光器在700 Hz重复率下以不到700 ps的脉冲持续时间提供数kW的峰值功率（>1000 kW）。创新的短激光腔固定在热稳定和受控的底板上，可提供极其稳定的输出参数。亚纳秒脉冲持续时间最低可调至700 ps，脉冲能量超过0.5 mJ，重复频率高达1000 Hz且重复频率可调，涵盖了从 LIBS、LIF、光谱学等应用。

3. Angis皮秒迷你脉冲激光器

Angis 成为市场上第一台皮秒迷你脉冲激光器，提供高达1 µJ 的脉冲能量，脉冲持续时间最低可调至 20 皮秒，无需半导体调制器和模锁定。这款超紧凑的激光器支持高达 10 kHz 的重复频率，具备 880 nm 泵浦激光器的被动或主动 Q 开关。Angis 的创新设计和系列生产确保卓越的性能和可靠性，为各种应用领域提供了卓越的激光解决方案。

友思特高能二极管泵浦固态激光器的应用

激光表面清洗

（1）激光表面清洗原理：

当激光束照射到物体表面时，它产生的热能或能够引发化学反应，能够将污染物松动、击碎、蒸发或剥离。这种无接触、高效率的激光清洁技术被广泛应用于多个领域，如半导体制造、汽车制造、文物保护等。

（2）激光表面清洗技术具有以下优势：

• 非接触性：无需物理接触，避免引起划痕或磨损
• 高精度：集中能量准确照射到目标区域，实现精准清洗
• 高效率：快速、高效去除污染物，无需拆解机械，减少清洗时间和成本
• 可控性：激光参数和能量可控，适应不同材料和污染物的清洗需求
• 环保性：无需化学溶剂或清洗剂，减少污染
• 适用于高精度、难以清洗的部件，以及对环境友好和节约成本的清洗需求

激光诱导击穿光谱（LIBS）

（1） 什么是LIBS？

LIBS是一种分析化学成分的技术，它通过使用高能量激光脉冲照射在样品上，将其转化成等离子体，然后测量所产生的光谱，以识别样品中的元素和其浓度。这项技术被广泛应用于材料科学、环境监测、矿物勘探等领域，因为它能够提供快速、无需样品处理的分析方法，适用于实验室和实地应用。

（2） LIBS具有哪些特点？

• 无需准备样品：无需进行复杂的前处理，节省了时间和成本
• 非接触性：无需直接接触样品表面，避免了污染和破坏
• 多元素分析：同时检测多种元素，高灵敏度和快速分析
• 实时性：具备实时分析的能力，可在几秒钟内提供结果

激光疤痕修复

（1） 原理：

• 激光能量吸收：激光光束中的能量被疤痕组织中的色素或水分吸收。这导致了局部温度升高，促进了疤痕组织的分解和重新排列
• 疤痕组织去除：高能量激光作用下，疤痕组织中的受损或异常组织开始分解和蒸发。这有助于去除疤痕的外观，并为新组织生长留出空间
• 组织再生：激光照射后，皮肤开始自然愈合过程。身体会生成新的胶原蛋白和弹性纤维，帮助修复疤痕区域，使其逐渐恢复到与周围正常皮肤相似的外观和质地
• 色素调节：某些激光疤痕修复方法还可以帮助减轻疤痕区域的色素不均匀，使其与周围皮肤更加一致

（2） 激光疤痕修复具有哪些优势？

• 非侵入性：激光疤痕修复是一种非侵入性的方法，不需要手术或切割，减少了外科手术的风险和恢复时间
• 精确性：激光技术能够精确照射到疤痕区域，最大程度地保护周围正常组织，减少了损伤
• 无疤痕：治疗后，通常不会留下明显的手术疤痕，因为激光处理有助于恢复皮肤的自然外观
• 色素调节：某些激光疤痕修复方法可帮助减轻疤痕区域的色素不均匀，使其与周围皮肤更加一致
• 快速恢复：激光治疗通常不需要长时间的恢复期，患者可以很快回到正常活动
• 适用广泛：激光疤痕修复适用于多种类型的疤痕，包括烫伤疤痕、手术疤痕、痤疮疤痕等
• 定制治疗：激光参数可以根据疤痕的类型和严重程度进行调整，以实现个性化的治疗方案