共振腔的Quality值表征腔內(nèi)存儲能量和單周期損耗能量之比，Q值越高損耗越小。Q開關(guān)激光器通過光泵存儲能量，并在腔內(nèi)插入Q開關(guān)元件周期性地引入高損耗。如果用α表示共振腔損耗，則：

聲光調(diào)Q原理

聲光調(diào)Q是通過電聲轉(zhuǎn)換形成超聲波使調(diào)制介質(zhì)折射率發(fā)生周期性變化, 對入射光起衍射作用, 使之發(fā)生衍射損耗,Q 值下降, 激光振蕩不能形成。在光泵激勵(lì)下其上能級反轉(zhuǎn)粒子數(shù)不斷積累并達(dá)到飽和值, 這時(shí)突然撤除超聲場, 衍射效應(yīng)立即消失, 腔內(nèi)Q 值猛增, 激光振蕩迅速恢復(fù), 其能量以巨脈沖形式輸出。

電光調(diào)Q原理

電光調(diào)Q是指在激光諧振腔內(nèi)加置一塊偏振片和一塊KD*P晶體。光經(jīng)過偏振片后成為線偏振光，如果在KD*P晶體上外加λ/4電壓，由于泡克爾斯效應(yīng)，使往返通過晶體的線偏振光的振動(dòng)方向改變π/2。如果KD*P晶體上未加電壓，往返通過晶體的線偏振光的振動(dòng)方向不變。所以當(dāng)晶體上有電壓時(shí)，光束不能在諧振腔中通過，諧振腔處于低Q狀態(tài)。由于外界激勵(lì)作用，上能級粒子數(shù)便迅速增加。當(dāng)晶體上的電壓突然除去時(shí)，光束可自由通過諧振腔，此時(shí)諧振腔處于高Q值狀態(tài)，從而產(chǎn)生激光巨脈沖。電光調(diào)Q的速率快，可以在10-8秒時(shí)間內(nèi)完成一次開關(guān)作用，使激光的峰值功率達(dá)到千兆瓦量級。如果原來諧振腔內(nèi)的激光已經(jīng)是線偏振光，在裝置電光調(diào)Q措施時(shí)不必放置偏振片。

所以，Q開關(guān)的本質(zhì)是調(diào)制損耗和載流子反轉(zhuǎn)閾值。對于低Q值，由于高損耗和高閾值，即使介質(zhì)材料中的能量和增益都很高也無法形成激光振蕩，所以載流子反轉(zhuǎn)水平將遠(yuǎn)高于普通激光器?；謴?fù)高Q值后，能量瞬間釋放，發(fā)射一個(gè)巨脈沖。

只要能使損耗突變的元件都能用作Q開關(guān)，比如旋轉(zhuǎn)棱鏡、電光調(diào)制器、聲光調(diào)制器和可飽和吸收體。前三種方法通過外部驅(qū)動(dòng)控制，故稱主動(dòng)調(diào)Q；對于可飽和吸收體，低強(qiáng)度光被吸收，高強(qiáng)度光透射，因此可通過腔內(nèi)光強(qiáng)被動(dòng)調(diào)制損耗，故稱被動(dòng)調(diào)Q。

調(diào)Q激光器基本工作原理

調(diào)Q脈沖的演變過程如上圖所示，因?yàn)閾p耗和載流子反轉(zhuǎn)閾值成正比，所以高損耗對應(yīng)高反轉(zhuǎn)閾值(Nta)，低損耗對應(yīng)低反轉(zhuǎn)閾值(Ntb)。

t=0時(shí)，泵浦打開并維持高損耗，此時(shí)的高反轉(zhuǎn)閾值Nta大于小信號反轉(zhuǎn)密度N0，激光振蕩無法啟動(dòng)，載流子反轉(zhuǎn)密度N(t)不斷升高。

t=t1時(shí)，損耗忽然降低，此時(shí)的低反轉(zhuǎn)閾值Ntb小于N0，激光振蕩啟動(dòng)，光子數(shù)迅速增加。輸出激光降低載流子反轉(zhuǎn)水平，當(dāng)N(t)小于Ntb后，損耗再次大于增益，光子數(shù)密度從峰值迅速減少直到脈沖結(jié)束。

t=t2時(shí)，恢復(fù)高損耗準(zhǔn)備下一個(gè)脈沖。