光子学设计基础:Q开关

振荡器的“Q”（或称“品质因素”）是指其纯度或“共振锐度”。振荡器中的损耗越低，其共振峰就越低，单驱动脉冲之后自身振荡会更长。法布里-泊罗谐振腔（一个光学振荡器）中对应的量是“条纹间隔和宽度比”（见本书2.9节）。这两个量直接相关，由此很容易理解，改变谐振腔中的损耗，其“Q”也变化。

假设，一种激光介质放置在普通的法布里-泊罗谐振腔中，有很高的损耗。这意味着，在反射镜之间每传播一次，都会使振荡的大部分光学能量损耗掉（如其中一块反射镜具有很低的反射率）。

光在反射镜之间通过两次所接受到的增益超过损耗，振荡器才能振荡（见本书6.2.4.2节）。假设损耗很高，当把介质中越来越多的分子泵浦成反转粒子数的受激态时，尽管泵浦源不停地工作，损耗仍然高于增益。其结果是，粒子数反转的规模的确变得非常大。这是因为只有很少光子会造成受激发射而降到较低能态，而绝大部分以其他的方式（谐振腔一端有一块质量很差的反射镜）损耗掉。在得到这种非常多的反转粒子数后，假设，借助于腔体间开关（“Q”开关），如通过快速旋转到高反射率反射镜（见图6.9），使损耗突然下降。结果是，突然有大量的光子使反转粒子数减少，快速地激励，从而在一个巨大的激光脉冲中发射出所有聚集的能量。这个激光脉冲就是Q开关脉冲。虽然脉冲频率相对较低（约25pps^[1]），通过这种方式却可以得到非常高能量、高强度的脉冲。

图6.9　Q开关

对于Q开关，应注意下面三点：

（a）由于大量光子突然脱离上一级激光能态，所以，在该脉冲结束时，光受激放大作用会完全停止。(www.xing528.com)

（b）与上一级能态受激减少粒子数的时间相比，开关转换到低损耗条件的时间必须更小，以便非常快地形成脉冲。

（c）与上一级能态自发衰变速率相比，泵浦速率必须大，以产生大量的粒子数反转。

Q开关可以在几纳秒的时间内产生几毫焦能量的脉冲，因而得到几兆瓦的峰值功率。如此大的功率会使大多数介质处于非线性状态（许多被蒸发掉），所以Q开关对研究非线性光学效应非常有用。这些将在本书第9章讨论。

锁模和Q开关都需要腔内调制装置，并有各种形式。本书第7章将进一步进行研究。

在深入理解光子的物理意义，特别是激光的工作原理后，现在应当将注意力转到光子学的另一半——电子。就像前面讨论光子学一样，讨论电子学主要关心的也是与物质相互作用的方式。对于该研究课题，理解固体材料中的电子特性至关重要。