Q开关工作原理

共振腔的Quality值表征腔内存储能量和单周期损耗能量之比，Q值越高损耗越小。Q开关激光器通过光泵存储能量，并在腔内插入Q开关元件周期性地引入高损耗。如果用α表示共振腔损耗，则：

声光调Q原理

声光调Q是通过电声转换形成超声波使调制介质折射率发生周期性变化, 对入射光起衍射作用, 使之发生衍射损耗,Q 值下降, 激光振荡不能形成。在光泵激励下其上能级反转粒子数不断积累并达到饱和值, 这时突然撤除超声场, 衍射效应立即消失, 腔内Q 值猛增, 激光振荡迅速恢复, 其能量以巨脉冲形式输出。

电光调Q原理

电光调Q是指在激光谐振腔内加置一块偏振片和一块KD*P晶体。光经过偏振片后成为线偏振光，如果在KD*P晶体上外加λ/4电压，由于泡克尔斯效应，使往返通过晶体的线偏振光的振动方向改变π/2。如果KD*P晶体上未加电压，往返通过晶体的线偏振光的振动方向不变。所以当晶体上有电压时，光束不能在谐振腔中通过，谐振腔处于低Q状态。由于外界激励作用，上能级粒子数便迅速增加。当晶体上的电压突然除去时，光束可自由通过谐振腔，此时谐振腔处于高Q值状态，从而产生激光巨脉冲。电光调Q的速率快，可以在10-8秒时间内完成一次开关作用，使激光的峰值功率达到千兆瓦量级。如果原来谐振腔内的激光已经是线偏振光，在装置电光调Q措施时不必放置偏振片。

所以，Q开关的本质是调制损耗和载流子反转阈值。对于低Q值，由于高损耗和高阈值，即使介质材料中的能量和增益都很高也无法形成激光振荡，所以载流子反转水平将远高于普通激光器。恢复高Q值后，能量瞬间释放，发射一个巨脉冲。

只要能使损耗突变的元件都能用作Q开关，比如旋转棱镜、电光调制器、声光调制器和可饱和吸收体。前三种方法通过外部驱动控制，故称主动调Q；对于可饱和吸收体，低强度光被吸收，高强度光透射，因此可通过腔内光强被动调制损耗，故称被动调Q。

调Q激光器基本工作原理

调Q脉冲的演变过程如上图所示，因为损耗和载流子反转阈值成正比，所以高损耗对应高反转阈值(Nta)，低损耗对应低反转阈值(Ntb)。

t=0时，泵浦打开并维持高损耗，此时的高反转阈值Nta大于小信号反转密度N0，激光振荡无法启动，载流子反转密度N(t)不断升高。

t=t1时，损耗忽然降低，此时的低反转阈值Ntb小于N0，激光振荡启动，光子数迅速增加。输出激光降低载流子反转水平，当N(t)小于Ntb后，损耗再次大于增益，光子数密度从峰值迅速减少直到脉冲结束。

t=t2时，恢复高损耗准备下一个脉冲。