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脈沖激光器工作原理、應(yīng)用及性能測(cè)試

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2025-04-23 17:43:18

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脈沖激光器工作原理、應(yīng)用及性能測(cè)試(圖1)

一、脈沖激光器工作原理

脈沖激光器是一種以脈沖形式發(fā)射激光的裝置，其工作原理基于受激輻射放大（LASER，Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）。與連續(xù)激光器不同，脈沖激光器通過(guò)短時(shí)間（納秒、皮秒或飛秒量級(jí)）的高能量輸出實(shí)現(xiàn)高峰值功率。其核心工作過(guò)程包括：

（1）泵浦源激發(fā)

脈沖激光器通常采用電泵浦（如閃光燈、半導(dǎo)體激光器）或光泵浦（如其他激光器）方式，將能量注入增益介質(zhì)（如Nd:YAG、Ti:Sapphire、光纖等），使介質(zhì)中的原子或分子躍遷至高能級(jí)。

（2）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與Q開(kāi)關(guān)技術(shù)

在增益介質(zhì)中形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后，通過(guò)Q開(kāi)關(guān)（調(diào)Q）技術(shù)控制諧振腔的Q值（品質(zhì)因數(shù)）。Q開(kāi)關(guān)在儲(chǔ)能階段關(guān)閉，阻止激光振蕩；當(dāng)能量積累到一定程度后快速打開(kāi)，釋放高能量脈沖。常見(jiàn)的Q開(kāi)關(guān)技術(shù)包括：

電光調(diào)Q（如KD*P晶體）

聲光調(diào)Q（利用聲波衍射）

被動(dòng)調(diào)Q（如Cr??:YAG可飽和吸收體）

（3）鎖模技術(shù)（超短脈沖）

對(duì)于飛秒或皮秒激光器，通常采用鎖模（Mode-Locking）技術(shù)，使諧振腔內(nèi)不同縱模相位鎖定，產(chǎn)生超短脈沖序列。

（4）脈沖輸出

最終，激光通過(guò)輸出耦合鏡發(fā)射，形成高峰值功率的脈沖激光，脈寬可達(dá)飛秒（fs）至毫秒（ms）量級(jí)。

二、脈沖激光器的應(yīng)用

脈沖激光器因其高峰值功率和精確的時(shí)間控制，廣泛應(yīng)用于以下領(lǐng)域：

（1）工業(yè)加工

精密微加工（如PCB鉆孔、玻璃切割）

激光打標(biāo)與雕刻（納秒光纖激光器）

激光清洗（去除表面氧化物、涂層）

（2）醫(yī)療美容

激光手術(shù)（如眼科準(zhǔn)分子激光、皮膚治療）

祛斑、嫩膚（皮秒/納秒激光）

（3）科研與測(cè)量

激光雷達(dá)（LiDAR）（自動(dòng)駕駛、地形測(cè)繪）

光譜分析（LIBS激光誘導(dǎo)擊穿光譜）

超快光學(xué)研究（飛秒激光泵浦探測(cè)）

（4）軍事與國(guó)防

激光測(cè)距（軍用測(cè)距儀）

激光制導(dǎo)與對(duì)抗

三、脈沖激光器的關(guān)鍵性能參數(shù)

參數(shù)	定義	典型范圍
脈沖能量（E）	單脈沖攜帶的能量	μJ ~ J（取決于激光類型）
峰值功率（P?）	脈沖能量/脈寬（P? = E/τ）	kW ~ GW（超短脈沖可達(dá)TW級(jí)）
脈寬（τ）	脈沖持續(xù)時(shí)間（FWHM）	fs ~ ms
重復(fù)頻率（f）	每秒脈沖數(shù)量	Hz ~ MHz
光束質(zhì)量（M2）	衡量光束發(fā)散程度（理想高斯光束M2=1）	1.0 ~ 2.0（優(yōu)質(zhì)激光器）
波長(zhǎng)（λ）	激光輸出波長(zhǎng)	UV（193nm）~ IR（10.6μm）
穩(wěn)定性（RMS）	脈沖能量波動(dòng)（通常要求<3%）	<1%（高穩(wěn)定性激光器）