激光现已成为医疗、制造等众多领域不可或缺的工具。连续波激光器虽有其自身的一系列应用，但大多数情况下都需要脉冲激光器才能提供的强烈、短暂的能量爆发，而Q开关是产生高功率激光脉冲的关键设备，本文将深入探讨其技术方面以及如何在激光系统中实现调Q开关及其应用。
一、什么是Q开关？
Q开关又称质量开关，是一种使激光器产生脉冲输出的技术，其峰值功率远高于连续工作时的峰值功率。Q开关中的"Q"代表 "品质因数"，是谐振腔（这里指激光腔）效率的衡量标准。品质因数与腔体中存储的能量成正比，与损失的能量成反比。Q开关受激光腔内该因素的受控操纵。
二、Q 开关的原理：
激光器通常由有源增益介质、为增益介质提供能量的泵浦源以及由两个反射镜组成的光学谐振器组成。在连续工作时，增益介质会放大光线，并发出稳定的激光束。然而，在Q开关中，目的是通过暂时抑制激光作用，将能量储存在增益介质中，然后突然释放，以产生单个强脉冲。
为此，首先要降低光学谐振器的品质因数，以防止激光束的形成。这通常是通过 Q 开关来实现的，Q 开关是一种在谐振器内充当快门的装置。当增益介质被泵送时，能量会被储存起来，因为由于Q值较低，能量无法从腔内逸出。
在特定阈值下，当存储的能量足够多时，Q开关会迅速切换到高Q值状态，从而以激光脉冲的形式释放存储的能量。脉冲持续时间从几纳秒到几微秒不等，峰值功率极高，通常比连续波输出功率大几个数量级。
三、Q 开关的类型
主要有两种类型的Q开关：有源Q开关和无源Q开关。
1、有源调Q开关是可以通过外部控制来切换激光腔品质因数的器件。其中包括电光Q开关： 利用铌酸锂（LiNbO3）等材料，在施加电场时改变其折射率。常用的调制器有:
①Pockels 电池，需要高电压才能工作。
②声光Q开关： 利用声波在材料中传播来衍射和控制光的通过。声光调制器可通过改变衍射效率迅速将腔体从低Q值切换到高Q值。
2、无源Q开关不需要外部控制，一旦激光达到一定强度就会自动工作。
激光达到一定强度后自动工作。这些开关包括:
可饱和吸收体： 具有随强度变化的吸收特性的材料。在低强度下，它们会吸收光并抑制激光的作用，但随着强度的增加，它们的吸收会减少，并变得透明，从而允许脉冲通过。
四、Q开关激光器的应用：
Q开关激光器具有峰值功率高、脉冲持续时间短的特点，因此应用广泛：
①医学：在皮肤科用于去除纹身，在眼科用于后囊切开术等手术。
②材料加工：用于需要高精度和最小热损伤的材料切割、钻孔和打标。
③测距和激光雷达：通过对目标反射的脉冲进行计时，可用于高精度测量距离。
④光谱学：通过提供短脉冲光，实现时间分辨测量和快速过程研究。
五、结论
调Q开关是一种功能强大的技术，可产生短小、高能量的激光脉冲，在科学、工业和医学领域有多种应用。理解和利用这项技术，需要扎实的激光物理学基础，以及对参与调Q开关过程的各种元件的精确控制。随着激光技术的发展，Q开关系统的效率和控制能力将不断提高，从而扩大其功能和应用范围。
