脈衝雷射(pulsed laser)的分類

脈衝雷射(pulsed laser)的分類

台大生醫電子與資訊學研究所/皮膚科  王修含 醫師

雷射可分為連續波雷射 (continuous wave laser，簡稱CW laser) 與脈衝式雷射 (pulsed laser)，隨著時間變化，前者的輸出功率維持恒定，但後者的輸出功率則呈現週期性變化。


(圖：脈衝式銣雅各雷射 Nd: YAG laser，波長532nm，屬於綠光雷射。
         操作者: 魏振瑋 & 王修含，攝於台大奈米科技研究中心  李百祺教授之實驗室)

脈衝雷射可依脈衝時間(pulse duration)與製造脈波方式，分成三種基本操作模式：
(1) 一般脈衝模式：典型的脈衝雷射的脈衝時間在ms (10的-3次方秒)至microsecond(10的-6次方秒)之間，若經特殊的方式，可產生更小的脈衝時間，例如Q-switch與mode-lock模式。
(2) Q-switch模式
(3) 極短脈衝模式 (又稱為「鎖模雷射」，mode-lock laser)


將(2)(3)分述如下：
Q開關雷射(Q-switch laser)：
Q-switch之Q意義為”quality(Q) factor”，其定義為「共振腔內駐波儲存與損失能量之比值」，Q-switch (Q開關) 猶如雷射共振腔的快門，若關閉快門，光線在離開活性介質後將被阻擋或反射至空腔外，且無駐波產生，因此Q factor = 0；若打開快門，才能產生駐波，減少能量損失，並進而激發雷射光，將儲存在活性介質的光能以一個脈衝的形式釋出，此時Q factor可大幅提昇。

Q-switch的字義即為「將Q factor在高低值之間switch」。Q開關器的脈波時間約為數個nanosecond(10的-9次方秒)，因此與一般的pulsed laser的microsecond相比，可大幅提高Q-switch脈波的尖峰功率(peak power)達數千倍。
目前許多應用於皮膚科治療的雷射，如紅寶石雷射、銣雅各雷射(俗稱的淨膚雷射)等，皆利用Q-switch laser的設計來釋放能量。

鎖模雷射(mode-lock laser)：
又稱phase-lock laser，一種產生極短脈衝時間的雷射光學技術，可達picosecond (10的-12次方秒) 或 femtosecond (10的-15次方秒) ，與Q-switch laser相較，peak power又可提高千倍至百萬倍。。
其原理是利用雷射共振腔的模式，產生固定相位關係，亦即控制空腔內的縱模相位，達到鎖模的目的。
也就是將所有的空腔模式鎖定在空腔內同相位的一點，此點的建設性干涉可產生短暫的高功率脈衝，而空腔內其它點的破壞性干涉則使功率趨近於零，鎖模脈波在兩個雷射反射鏡之間來回反射，一部份能量耦合輸出。與鎖模雷射相較，非鎖模雷射的模式振盪則與相位無關。
目前許多熱門的研究用途，皆使用到鎖模雷射的設計，如飛秒雷射、非線性光學、多光子顯微技術等。