Q开​​关锁模——具有强烈脉冲能量波动的锁模激光器的工作机制

Q开关锁模是被动锁模激光器的一种操作方式，其中腔内脉冲能量经历与动态不稳定性（无阻尼弛豫振荡）相关的大振荡。在产生下一组脉冲之前，脉冲能量甚至可能对于多个后续脉冲变得非常小。

在Q开关锁模（红色）条件下，被动Q开关激光器中光功率的演变，其中产生超短脉冲束，以及具有恒定脉冲能量的常规锁模（蓝色）。

该激光动力学可以使用相对简单的调查动态模型。使用某些近似值，可以推导出高于某个Q 开关锁模阈值的稳定锁模标准（即没有 Q 开关锁模或Q开关不稳定性）：E²_p>E_sat,gE_sat,aΔR，其中E_p是腔内脉冲能量，E_sat,g是增益介质的饱和能量，E_sat,a是可饱和吸收体的饱和能量，ΔR是吸收体的调制深度。

Q开关不稳定性的起源是可饱和吸收器通常以较低的谐振器损耗“奖励”较高的脉冲能量，从而减少弛豫振荡的阻尼。这是否会导致 QML取决于其他因素；根据各种参数，增益饱和可能足以稳定脉冲能量。

Q开关锁模机制在某些情况下相当稳定（即产生具有可重复特性的脉冲串），而在其他情况下则非常不稳定（表现出参数的强烈波动，例如最大脉冲能量、脉冲持续时间和光学相位）。特别是在后一种情况下，经常使用术语Q开关不稳定性。通常，在束之间的脉冲不会变得太弱的情况下，稳定性是好的。否则，每一束中的脉冲基本上是由噪声（特别是自发辐射）产生的)，且脉冲参数无法达到稳定状态。这意味着，尤其是在Q开关锁模导致最大脉冲能量较大的情况下，操作通常会产生噪声。因此，Q开关锁模在应用中并未广泛使用，但通常被认为是一种不需要的现象。可以压制

• 通过选择具有高激光截面的增益介质

• 通过使用具有小模式区域的谐振器设计

• 通过使用低损耗和高腔内功率的长谐振器

• 通过在谐振器中插入功率限制元件

• 通过可饱和吸收器的优化（例如，利用饱和曲线的翻转，这可能是由双光子吸收引起的）

• 使用电子反馈技术

对于在极端参数区域（例如非常高的输出功率或非常高的脉冲重复率）中运行的激光器，Q开关不稳定性的抑制可能需要折衷，例如接受更长的脉冲持续时间、较低的激光效率或高热负载对饱和吸收体。

请注意，与普遍看法相反，QML阈值通常不取决于上能态寿命，而仅取决于激光横截面（通过饱和能量）：例如，淬火效应可以减少上能态寿命而不影响QML阈值。