超脈沖激光器原理和調(diào)Q的區(qū)別 

    激光按其泵浦方式可分為連續(xù)激光器和脈沖激光器兩大類。連續(xù)激光器是采用連續(xù)或長脈沖（脈沖持續(xù)時間>>能級壽命）泵浦激勵工作物質(zhì)，使工作物質(zhì)能級反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大于閾值并維持在穩(wěn)定狀態(tài)，連續(xù)輸出激光。脈沖激光器是采用短脈沖（脈沖持續(xù)時間<能級壽命）泵浦激勵工作物質(zhì),在整個激勵持續(xù)過程期間，上能級粒子數(shù)處在不斷增長的非穩(wěn)定狀態(tài)，由于脈沖持續(xù)時間很短，在尚未達(dá)到新的平衡之前，過程就結(jié)束，激光隨著泵浦脈沖的到來而輸出。 

    若泵浦激勵時間很短，則在激勵持續(xù)期間E2能級上的自發(fā)輻射的無輻射躍遷的影響可以忽略不計，在這種情況下，要使E2能級增加一個粒子，只須吸收 個泵浦光子，當(dāng)單位體積吸收的泵浦光子數(shù)大于 時，便能產(chǎn)生激光。實驗說明，脈沖持續(xù)時間越短，需要吸收泵浦能量的閾值會越小。  
在短脈沖激光器中，設(shè)工作物質(zhì)吸收的泵浦能量為EP，產(chǎn)生激光閾值為EPt，則有輸出能量 

    
    公式表明，輸出能量E隨泵浦能量Ep線性增加，輸出的能量是由超過閾值那部分能量轉(zhuǎn)換而來的。 
    相比于連續(xù)激光器，脈沖激光器具有更低的閾值條件，在輸入泵浦能量一定的情況下，脈沖激光器能輸出更高的脈沖能量。如果采用比原來更大泵浦能量的脈沖方式激勵，那么激光器將輸出更高的峰值功率，這樣的激光器就是超脈沖激光器。 
    超脈沖技術(shù)可以在不怎么增加成本的基礎(chǔ)上獲得相對高的功率的相對窄的脈寬，但是想要獲得非常高的峰值功率或非常窄的脈寬必須使用調(diào)Q技術(shù)。 
　調(diào)Q技術(shù)是指在采用某種方法使腔內(nèi)的損耗因子按規(guī)定的程序變化，在泵浦剛開始時，先使光腔具有高損耗因子，使用產(chǎn)生激光的閾值提高，由于閾值高而不能產(chǎn)生激光振蕩，于是亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數(shù)便可以積累到的水平，然后在適當(dāng)?shù)臅r刻使腔內(nèi)損耗突然降低，閾值也隨之降低，些時反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大大超過閾值，受激輻射迅速地增強。于是在極短的時間內(nèi)，上能級儲存的粒子的能量轉(zhuǎn)變會激光能量，形成一個很強的激光巨脈沖輸出。 

超脈沖激光輸出脈寬窄，峰值功率高等特點，優(yōu)勢應(yīng)用在閾值要求高，熱擴散要求少的材料上加工，比如玻璃，皮革，陶瓷等。激光熱加工指當(dāng)激光束照射到物體表面時，引起快速加熱，熱力把對象的特性改變或把材料熔解蒸發(fā)的過程。加工過程中，作用在材料上的激光能量必須大于破壞材料所需要的能量，既是要大于材料的破壞閾值。如圖1所示：左邊的能量分布不能在材料上打出標(biāo)記，右邊的只有高于虛線部分才能在材料上打標(biāo)，在加工過程中，圖1虛線以下的能量，將轉(zhuǎn)化成熱能被材料吸收。由于玻璃，皮革，陶瓷等材料破壞閾值較高，而且對于玻璃來說，轉(zhuǎn)化為熱吸收的能量在玻璃中傳導(dǎo)的不均勻，將產(chǎn)生熱應(yīng)力，使玻璃炸裂，對于皮革來說，熱傳導(dǎo)的能量使得皮革加工邊緣被燒灼，對陶瓷來說，陶瓷的最外層是一層釉質(zhì)，性能相當(dāng)于玻璃。因此這些材料必須采用超脈沖激光加工。    
  
    超脈沖是怎樣來改良加工效果的呢？當(dāng)激光束投射在材料表時，部分能量被反射，部分被吸收，部分被傳遞出去，具體情況取決于材料類型和激光波長。在到達(dá)材料表面的光能中，被材料吸收的那部分能量是對材料加工有用的。光能以電子和原子的振動激發(fā)形式被吸收，并轉(zhuǎn)化為熱能，擴散至臨近原子。隨著吸收的光子越來越多，材料溫度不斷升高，從而提高光能吸收的比例。該過程可引發(fā)連鎖反應(yīng)，使溫度在極短時間內(nèi)急劇升高。溫度升高的速度取決于材料中能量吸收與能量消散之間的比例。光吸收長度是指光子能量被吸收導(dǎo)致光束強度降低至原來的1/e (37%)時光束傳播的距離。該距離內(nèi)材料吸收能量轉(zhuǎn)化的熱能擴散距離為L = [4Dt] 1/2, 其中L為擴散距離，D為熱擴散率，t 為激光的脈沖寬度。如果熱擴散距離遠(yuǎn)大于吸收長度，激光光斑處的溫度升高將很有限。相反，如果擴散距離小于吸收深度，溫度將急劇升高，導(dǎo)致材料熔化，甚至汽化。  

  
圖1.激光輸出能量示意圖。左圖表示連續(xù)輸出能量，右圖表示超脈沖輸出能量，X軸t表示脈沖時間，Y軸P表示脈沖功率，陰影部分面積W表示脈沖能量 
    激光輸出功率與脈沖寬度如圖2所示，由W＝Pt，在輸出相同的能量的情況下，假設(shè)超脈沖功率P2是普通脈沖功率P1的3倍,則有作用時間t2＝t1/3. 由L = [4Dt] 1/2，所以L縮小為原來1/31/2倍，從上面分析可知熱能擴散距離小，有利于能量集中材料加工點，而對加工點旁邊熱效應(yīng)影響小，可加工出更加精密和光滑的效果。