激光現已成為醫療、制造等眾多領域不可或缺的工具。連續波激光器雖有其自身的一系列應用，但大多數情況下都需要脈沖激光器才能提供的強烈、短暫的能量爆發，而Q開關是產生高功率激光脈沖的關鍵設備，本文將深入探討其技術方面以及如何在激光系統中實現調Q開關及其應用。

一、什么是Q開關？

Q開關又稱質量開關，是一種使激光器產生脈沖輸出的技術，其峰值功率遠高于連續工作時的峰值功率。Q開關中的"Q"代表 "品質因數"，是諧振腔（這里指激光腔）效率的衡量標準。品質因數與腔體中存儲的能量成正比，與損失的能量成反比。Q開關受激光腔內該因素的受控操縱。

二、Q 開關的原理：

激光器通常由有源增益介質、為增益介質提供能量的泵浦源以及由兩個反射鏡組成的光學諧振器組成。在連續工作時，增益介質會放大光線，并發出穩定的激光束。然而，在Q開關中，目的是通過暫時抑制激光作用，將能量儲存在增益介質中，然后突然釋放，以產生單個強脈沖。

為此，首先要降低光學諧振器的品質因數，以防止激光束的形成。這通常是通過 Q 開關來實現的，Q 開關是一種在諧振器內充當快門的裝置。當增益介質被泵送時，能量會被儲存起來，因為由于Q值較低，能量無法從腔內逸出。

在特定閾值下，當存儲的能量足夠多時，Q開關會迅速切換到高Q值狀態，從而以激光脈沖的形式釋放存儲的能量。脈沖持續時間從幾納秒到幾微秒不等，峰值功率極高，通常比連續波輸出功率大幾個數量級。

三、Q 開關的類型

主要有兩種類型的Q開關：有源Q開關和無源Q開關。

1、有源調Q開關是可以通過外部控制來切換激光腔品質因數的器件。其中包括電光Q開關： 利用鈮酸鋰（LiNbO3）等材料，在施加電場時改變其折射率。常用的調制器有:

①Pockels 電池，需要高電壓才能工作。

②聲光Q開關： 利用聲波在材料中傳播來衍射和控制光的通過。聲光調制器可通過改變衍射效率迅速將腔體從低Q值切換到高Q值。

2、無源Q開關不需要外部控制，一旦激光達到一定強度就會自動工作。

激光達到一定強度后自動工作。這些開關包括:

可飽和吸收體： 具有隨強度變化的吸收特性的材料。在低強度下，它們會吸收光并抑制激光的作用，但隨著強度的增加，它們的吸收會減少，并變得透明，從而允許脈沖通過。

四、Q開關激光器的應用：

Q開關激光器具有峰值功率高、脈沖持續時間短的特點，因此應用廣泛：

①醫學：在皮膚科用于去除紋身，在眼科用于后囊切開術等手術。

②材料加工：用于需要高精度和最小熱損傷的材料切割、鉆孔和打標。

③測距和激光雷達：通過對目標反射的脈沖進行計時，可用于高精度測量距離。

④光譜學：通過提供短脈沖光，實現時間分辨測量和快速過程研究。

五、結論

調Q開關是一種功能強大的技術，可產生短小、高能量的激光脈沖，在科學、工業和醫學領域有多種應用。理解和利用這項技術，需要扎實的激光物理學基礎，以及對參與調Q開關過程的各種元件的精確控制。隨著激光技術的發展，Q開關系統的效率和控制能力將不斷提高，從而擴大其功能和應用范圍。