[激光器原理与应用-6]：Q开关元件与Q驱动电路板

第1章 Q驱动器概述

1.1 概述

1.2 Q开关元件与Q驱动电路板在激光器中的位置

第2章 Q开关元件

2.1 定义

2.2 声光效应原理

2.3 Q调制

2.4 拉曼-纳斯衍射

2.5 声光Q开关结构与原理

2.6 Q开关控制激光工作过程

2.7 Q开关分类

2.8 Q开关的原理

2.9 RF信号

2.10 性能参数

第3章 Q驱动器接口

3.1 连接示意图

3.2 纳秒激光器的接口信号说明

3.2 P秒激光器的接口信号说明

第4章 Q驱系统设计注意事项

4.1 Q驱器注意事项

参考：

第1章 Q驱动器概述

1.1 概述

Q驱动器是一种驱动Q开关元件工作的专用驱动电路。

它根据外部控制信号，将相应的射频信号，施加到Q开关元件上，完成激光有无控制和进行Q调制。

1.2 Q开关元件与Q驱动电路板在激光器中的位置

第2章 Q开关元件

2.1 定义

Q开关（英文：Q-switching），也称巨脉冲发生器，是一种控制激光是否能够通过的开关，是一种脉冲激光开关技术。基本原理是：电信号-》声波信号-》物理形变-》控制光的反射路径-》控制光的输出。因此，Q开关是一种声光器件，因此，又称为声光Q开关。

声光Q开关工作在激光腔内，通过主动控制谐振腔的品质Q因子(损耗)来产生高强度的脉冲光。是利用声光效应设计和制作的一种声光调制器件。

通俗来讲，声光效应是指光通过一块受到超声波扰动的介质时发生衍射的现象，这种现象是光波与介质中声波相互作用的结果，其原理较传统平面光栅更为复杂、抽象。

2.2 声光效应原理

各向同性：指物体的物理、化学等方面的性质不会因方向的不同而有所变化的特性，即某一物体在不同的方向所测得的性能数值完全相同，亦称均质性。物理性质不随量度方向变化的特性。即沿物体不同方向所测得的性能，显示出同样的数值。如所有的气体、液体（液晶除外）以及非晶质物体都显示各向同性。

各向同性的光学介质（如透光晶体）在不受声场作用时，光学性质是稳定的。

但当它受到声波场（如超声波）作用时其光学性质（如折射率）就要发生改变。当超声波通过介质时，介质中各点会出现随时间和空间发生周期变化的弹性应变，进而导致介质中产生随时间和空间呈周期变化的弹光效应，如图1所示，使得介质中各点的折射率n也会产生响应的周期变化。

n0为无应变情况下的晶体折射率。

图1 超声波在介质中的传播示意图。

2.3 Q调制

因此，当光通过有超声波作用的介质（透光晶体）时，相位就要受到调制，如同光通过一个衍射光栅，光栅的间距等于声波波长λs，光束通过这个光栅时就要发生衍射，这就是声光效应。

由于声波是运动的，因此介质应视为以声速运动的声光栅，由于声速仅为光速的十万分之一，所以对于入射光斑来说，运动的声光栅可以认为是静止的，其光栅方程为：

声光栅的光栅常数等于声波的波长λs，θ和θi分别为入射光和衍射光与光栅平面的夹角，m是衍射级次，是光波波长。

依据超声波频率的高低与声波和光波作用长度的不同，声光衍射现象可以分为拉曼-纳斯（Raman-Nath）衍射和布拉格（Bragg）衍射。

2.4 拉曼-纳斯衍射

拉曼-纳斯衍射产生于超声频率较低且声光相互作用长度较短的情况。

光束通过声光介质只发生折射和少量的反射，仍可将出射光波看成是平面波；但声波通过声光介质时，根据声光效应原理，声光介质如同一块声光栅，由于声光相互作用长度较短，认为声子和光子只作用一次，因此可以将声光介质看做平面光栅，光通过时产生多级衍射，如图2所示，由衍射原理可知，各级衍射波最大值方向满足条件

在入射光两侧出现与m=0,±1,±2,......相关的一些衍射极大值。

2.5 声光Q开关结构与原理

声光Q开关是利用声光效应以控制光腔损耗的Q开关技术。

其基本结构如图4所示，主要由驱动电源、射频插头、压电换能器/电声换能器、声光介质（石英晶体）、吸声材料、阻抗匹配元件、壳体组成，另外还包括图中未显示的冷却单元。

（1）驱动电源工作时，产生高频的电信号，称为RF信号；

（2）该高频电信号作用在换能器上，换能器将高频电信号转换为同频率的超声波；

（3）超声波作用于声光介质（透光晶体），使声光介质折射率发生周期性变化，

（4）折射率的周期性变化，会引起入射光发生经过晶体后发生衍射作用（入射的激光不再沿着原先的单一路径传播，而是向各个方向传播）。

（5）吸声材料把多余的声音能量吸收掉。

2.6 Q开关控制激光工作过程

Q开关是激光光学系统中一个重要光学元件。

它通过阻断和不阻断光的反射通道来抑制和产生激光脉冲。

如上图所示，当声光调制开关工作时，入射光发生衍射偏离激光谐振腔，此时谐振腔处于高损耗，Q值下降，激光震荡不能形成，输出的激光暂时性中断。

但激光的能量并没有消失，在泵浦源的作用下，上能级反转粒子数大量积累，当积累到最大值时突然关掉声光调Q开关，衍射效应立即消失, 腔内Q值猛增, 激光同步振荡迅速恢复, 在极短的时间内反转粒子数被消耗，转换为腔内激光能量，从谐振腔输出端输出，获得脉冲极短，能量峰值功率很高的激光输出。

因此，严格意义上讲，声光调制的作用并不是普通意义上的“开关”，而是一个类似电容聚合电荷后突入放电的过程，他是把激光光子（能量）暂时缓存在腔体内，然后再集中释放的控制开关。

（1）打开光路

不给压电换能器施加射频信号时，石英晶体保持其原有的常规折射率，由激光棒发射出来的平行光透过石英晶体，经后反光镜发射再穿过石英晶体，返回激光棒。

（2）临时关闭光路

一旦给压电换能器施加射频信号，压电换能器立即在石英体内压迫石英晶体，使它的折射率发生变化，透过石英晶体的光线发生折射而偏离后反光镜，使得没有光线返回激光棒。

由于激光光线返回激光棒是激发激光的必要条件，所以产生激光的进程停止。

因此给压电换能器施加和撤除射频信号，是关掉和释放激光的重要控制手段。

2.7 Q开关分类

市场上有2种Q开关，一种是风冷Q开关，一种是水冷Q开关。

Q开关有27M，40M，80M等规格。激光打标机常用Q开关都是27M的。

在目国内市场一般都是采用27M的水冷Q开关。

被动Q开关是由激光器本身完成Q值的变化的。主动Q开关是由外部机械或电子信号使Q值的变化的。

2.8 Q开关的原理

他们的共同原理都是：有意降低初始所激发出来的光子的能量，即Q值，常用的Q开关有：

1、可饱和吸收体Q开关：这是属于被动Q开关。在共振腔内放可饱和吸收染料盒、色心晶体等。它们对腔内的激光透过率是光强的函数，在开始时，共振腔内的受激辐射强度低，它们对光辐射的吸收率大，即共振腔的Q值很低；当工作物质被充分泵浦而达到激光振荡阈值时，它们发生饱和吸收，透过率上升到近100%，共振腔的Q值也随即突然升高到很高的数值。

2、电光晶体Q开关：这是主动Q开关。在共振腔内放电光元件和偏振分析器。当给电光元件加上外电场时会使通过的激光的偏振面发生旋转，由此可控制光束通过分析器的透过率。共振腔的Q值与分析器的透过率有关。现在最常见的电光元件是克尔盒和普克尔盒。

3、转镜式Q开关：这是主动Q开关。用马达带动共振腔的一块三棱镜高速旋转，当旋转的镜子转到与共振腔另一面反射镜精确平行的位置时，腔的Q值最高，其它位置都比较低，反射镜的转动必须与闪光灯的触发同步，使两块反射镜达到平行时，工作物质已得到充分的泵浦。这种Q开关的主要优点是重复性好，主要缺点是容易产生杂波。

2.9 RF信号

RF信号输入：RF信号打开时为固定频率的正弦波信号，RF关闭时无信号。

Q值：与RF信号正好是反向的，是RF震荡周期激增（积分）的光子能量的总和。

激光输出：在RF关闭时，瞬间释放RF打开时激增的光子的能量，形成瞬间的激光脉冲。

RF工作频率27 MHz声光Q开关，具有光衍射损耗与入射光的偏振态无关的优点，但需要的功率加大，高达50W.

RF工作频率为41 MHz、80 MHz的声光Q开关，无需持续水冷却，且较小的驱动功率获取了较大的衍射损耗。

2.10 性能参数

第3章 Q驱动器接口

3.1 连接示意图

3.2 纳秒激光器的接口信号说明

（1）输出

RF 输出

（2）输入

Q驱使能信号
RF输出门控Gate
Freq频率控制

（3）出光

无RF信号时，有激光输出
有RF信号时，无激光输出

3.2 P秒激光器的接口信号说明

（1）输出

RF 输出

（2）输入

Q驱使能信号
RF输出门控Gate/MIV
RF输出功率控制MIA

（3）出光（与纳秒正好相反）

无RF信号时，无激光输出
有RF信号时，有激光输出

第4章 Q驱系统设计注意事项

4.1 Q驱器注意事项

（1）Q驱动器的电压不宜太高

抬高的驱动电压，会导致Q驱动器成本的上升、功耗的增加、发热的加剧，效能的降低。由于效率低发热高的问题，可能引起产品本身故障率增高，增加集成难度等相关问题。

通常采用15V一下的电压。如果系统是 24V或48V供电, 一种简单的解决方案是：在供电线串接一个小尺寸 DCDC 降压模块，将 24V/48V 转为 12V 或 15V 供电。这样在几乎不增加成本的情况下，即解决了上述问题，也统一了 Q 驱型号，综合来看更具优势。也即开关电源的 24V 输出先接到此 DCDC 模块，然后模块的输出再接到 Q 驱的供电就行了。