北京
一台台式激光器，平均功率可能只有瓦级甚至毫瓦级，但它的峰值功率，却可以轻松达到平均功率的百万倍。这不是什么实验室里的极端操作，而是脉冲激光的常态。而当有人往激光腔里加了一个叫Q开关的东西之后，这个峰值数字还能再往上翻好几个量级。
Les的实验室就做了这件事。他原本有一台用于洗纹身的激光器，此前已经对增益介质做过一轮升级。这一次，他把注意力转向了Q开关，想看看这个小小的光学元件，究竟能把峰值功率推到什么程度。
Q开关到底在做什么
Q开关本质上是一个光学衰减器。把它放进激光腔里，它会阻止腔体达到共振状态。共振被压制，受激辐射就被大幅限制，能量只能一点点在腔内积累，增益介质也随之越来越饱和。
等到能量积累到某个临界点，Q开关会突然停止阻挡光线。就在那一瞬间，腔体在极短的时间内完成激射，释放出一个又短又猛的脉冲。
关键在于，Q开关并不会增加单次激光射击的总能量。它做的事情，是把同样的能量用更短的时间释放出来。能量没变多，但释放速度快了，峰值功率自然就上去了。
在这次实验中，Les使用的是掺铬钇铝石榴石晶体作为Q开关，并对比了几种不同晶体之间的表现差异。
150微秒到14纳秒，数字有多夸张
为了准确测量脉冲，Les用了两个传感器：一个热释电能量传感器，用来测能量；一个快速光电二极管，用来测脉冲的形状。
没有加Q开关时，这台激光器产生的脉冲长度约为150微秒，总能量约137毫焦，峰值功率略低于1千瓦。
加上Q开关之后，脉冲长度直接掉到了14纳秒。峰值功率则升到了1.3兆瓦。代价是总能量下降到了77毫焦。
从150微秒到14纳秒，脉冲被压缩了四个数量级；从不到1千瓦到1.3兆瓦，峰值功率跨过了千瓦到兆瓦的门槛。而总能量，反而少了。
Les还自己搭了一个吸收计，用来比较几种吸收率不同的Q开关。整体趋势是：吸收率越高，激光真正发射时的峰值功率就越大。在92%吸收率的条件下，峰值功率达到了2.25兆瓦。
峰值功率高了，切割能力却没跟上
一个容易被误解的地方是：峰值功率的提升，并不等于切割能力的提升。
当Les把激光对准金属靶材时，脉冲实在太短了，短到除了烧蚀金属表面之外，几乎做不了更多的事情。它没有像很多人想象的那样，把金属切穿或者打出一个深孔。
但能量输出并非没有用处。在激光的焦点位置，这股能量足以电离空气，也足以让玻璃碎裂。
- 脉冲长度：150微秒 → 14纳秒
- 峰值功率：不到1千瓦 → 1.3兆瓦
- 总能量：137毫焦 → 77毫焦
- 高吸收率条件下峰值功率：2.25兆瓦
这组数字放在一起看，其实讲了一个很反直觉的道理：把能量压进更短的时间里，你能得到惊人的瞬时功率，但你能拿它做的事情，未必和功率数字成正比。
这不是他第一次升级这台机器
值得一提的是，Q开关并不是Les对这台前洗纹身激光器做的唯一改造。这一次的升级，是建立在此前对增益介质本身所做升级的基础之上的。
也就是说，这台机器的性能提升，是一层一层叠上去的。先改增益介质，再加Q开关，每一步都在改变脉冲的形态和能量的释放方式。
至于Q开关为什么能起作用，背后涉及的是激光的基本原理。理解了腔体、共振、受激辐射这几个概念，再看这台台式激光器从千瓦级到兆瓦级的跨越，就不会觉得那么不可思议了。
一台原本用来洗纹身的设备，经过两轮改造，峰值功率摸到了2.25兆瓦。而它最擅长的事情，可能只是让空气电离，或者让一块玻璃碎掉。
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