การสลับ Qซึ่งบางครั้งเรียกว่าการสร้างพัลส์ยักษ์หรือการทำลาย Q [ ^{1 ] เป็น}เทคนิคที่ทำให้เลเซอร์สามารถสร้างลำแสงเอาต์พุตแบบพัลส์ได้ เทคนิคนี้ช่วยให้สามารถสร้างพัลส์แสงที่มีกำลัง สูงสุดสูงมาก ( กิกะวัตต์ ) ซึ่งสูงกว่าที่เลเซอร์เดียวกันจะผลิตได้หากทำงานใน โหมด คลื่นต่อเนื่อง (เอาต์พุตคงที่) เมื่อเปรียบเทียบกับการล็อกโหมดซึ่งเป็นอีกเทคนิคหนึ่งสำหรับการสร้างพัลส์ด้วยเลเซอร์ การสลับ Q นำไปสู่อัตราการทำซ้ำพัลส์ที่ต่ำกว่ามาก พลังงานพัลส์ที่สูงกว่ามาก และระยะเวลาพัลส์ที่ยาวกว่ามาก บางครั้งมีการใช้สองเทคนิคนี้ร่วมกัน

การสวิตช์ Q ได้รับการเสนอครั้งแรกในปี พ.ศ. 2491 โดยGordon Gould [ ^{2 ]}และถูกค้นพบและสาธิตอย่างอิสระในปี พ.ศ. 2504 หรือ พ.ศ. 2505 โดย^Robert W. Hellwarthและ FJ McClung ที่ห้องปฏิบัติการวิจัย Hughes โดยใช้ชัตเตอร์ เซลล์ Kerr ที่สวิตช์ ด้วยไฟฟ้าในเลเซอร์ทับทิม^{[ 3 ]}ปรากฏการณ์ไม่เชิงเส้นทางแสง เช่น การสวิตช์ Q ได้รับการอธิบายอย่างสมบูรณ์โดยNicolaas Bloembergenผู้ซึ่งได้รับรางวัลโนเบลในปี พ.ศ. 2524 จากผลงานนี้^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

การสวิตช์ค่า Q ทำได้โดยการใส่ ตัวลดทอนแสงแบบปรับได้ ไว้ภายใน ตัวเรโซเนเตอร์เชิงแสงของเลเซอร์เมื่อตัวลดทอนแสงทำงาน แสงที่ออกจากตัวกลางขยายสัญญาณจะไม่กลับเข้ามา และการเกิดเลเซอร์จะไม่เริ่มขึ้น การลดทอนแสงภายในโพรงเรโซเนเตอร์นี้ส่งผลให้ค่า Qหรือค่าคุณภาพของเรโซเนเตอร์เชิงแสง ลดลง ค่า Q สูงหมายถึงการสูญเสียของเรโซเนเตอร์ต่อรอบต่ำ และในทางกลับกัน ตัวลดทอนแสงแบบปรับได้นี้มักเรียกว่า "สวิตช์ค่า Q" เมื่อใช้เพื่อวัตถุประสงค์นี้

ในขั้นต้น ตัวกลางเลเซอร์จะถูกปั๊มในขณะที่สวิตช์ Q ถูกตั้งค่าเพื่อป้องกันการป้อนกลับของแสงเข้าไปในตัวกลางขยายสัญญาณ (ซึ่งจะสร้างตัวเรโซเนเตอร์เชิงแสงที่มีค่า Q ต่ำ) กระบวนการนี้ทำให้เกิดการผกผันของประชากรแต่การทำงานของเลเซอร์ยังไม่สามารถเกิดขึ้นได้เนื่องจากไม่มีการป้อนกลับจากเรโซเนเตอร์ เนื่องจากอัตราการปล่อยแสงแบบกระตุ้นขึ้นอยู่กับปริมาณแสงที่เข้าสู่ตัวกลาง ปริมาณพลังงานที่เก็บไว้ในตัวกลางขยายสัญญาณจึงเพิ่มขึ้นเมื่อตัวกลางถูกปั๊ม เนื่องจากการสูญเสียจากการปล่อยแสงแบบธรรมชาติและกระบวนการอื่นๆ หลังจากช่วงเวลาหนึ่ง พลังงานที่เก็บไว้จะถึงระดับสูงสุดระดับหนึ่ง ตัวกลางนั้นเรียกว่าอิ่มตัวการขยายสัญญาณณ จุดนี้ อุปกรณ์สวิตช์ Q จะถูกเปลี่ยนอย่างรวดเร็วจากค่า Q ต่ำเป็นค่า Q สูง ทำให้เกิดการป้อนกลับและกระบวนการขยายสัญญาณเชิงแสงโดยการปล่อยแสงแบบกระตุ้นเริ่มต้นขึ้น เนื่องจากมีพลังงานจำนวนมากที่เก็บไว้ในตัวกลางขยายสัญญาณแล้ว ความเข้มของแสงในเรโซเนเตอร์เลเซอร์จึงเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วมาก ซึ่งทำให้พลังงานที่เก็บไว้ในตัวกลางหมดไปอย่างรวดเร็วเช่นกัน ผลลัพธ์โดยรวมคือลำแสงเลเซอร์ที่ปล่อยออกมาเป็นช่วงสั้นๆ เรียกว่าพัลส์ยักษ์ซึ่งอาจมีความเข้มสูงสุดสูงมาก

การสวิตช์แบบ Q มีสองประเภทหลัก:

ในที่นี้ Q-switch คือตัวลดทอนแสงแบบแปรผันที่ควบคุมจากภายนอก อาจเป็นอุปกรณ์เชิงกล เช่น ชัตเตอร์ ล้อสับเปลี่ยน หรือกระจก/ปริซึมหมุนได้ที่วางอยู่ภายในโพรง หรือ (ที่พบได้บ่อยกว่า) อาจเป็นตัวปรับสัญญาณ บางรูปแบบ เช่นอุปกรณ์อะคูสโตออปติกอุปกรณ์เอฟเฟกต์แมกเนโตออปติก หรือ อุปกรณ์อิเล็กโทรออปติก เช่น เซลล์พ็อกเกลส์หรือเซลล์เคอร์การลดการสูญเสีย (การเพิ่มค่า Q) จะถูกกระตุ้นโดยเหตุการณ์ภายนอก โดยทั่วไปคือสัญญาณไฟฟ้า ดังนั้นอัตราการทำซ้ำของพัลส์จึงสามารถควบคุมได้จากภายนอก ตัวปรับสัญญาณโดยทั่วไปช่วยให้การเปลี่ยนจากค่า Q ต่ำไปสูงทำได้เร็วขึ้น และให้การควบคุมที่ดีกว่า ข้อดีเพิ่มเติมของตัวปรับสัญญาณคือแสงที่ถูกปฏิเสธสามารถส่งออกไปนอกโพรงและนำไปใช้กับสิ่งอื่นได้ หรืออีกทางหนึ่ง เมื่อตัวปรับสัญญาณอยู่ในสถานะ Q ต่ำ ลำแสงที่สร้างขึ้นจากภายนอกสามารถส่งเข้าไปในโพรงผ่านตัวปรับสัญญาณได้ ซึ่งสามารถใช้เพื่อ "ป้อน" โพรงด้วยลำแสงที่มีลักษณะที่ต้องการ (เช่นโหมดตามขวางหรือความยาวคลื่น) เมื่อค่า Q เพิ่มขึ้น การเกิดเลเซอร์จะเริ่มต้นจากสัญญาณเริ่มต้น ทำให้เกิดพัลส์แบบ Q-switched ที่มีลักษณะเฉพาะซึ่งสืบทอดมาจากสัญญาณเริ่มต้นนั้น

ในกรณีนี้ Q-switch คือตัวดูดซับแบบอิ่มตัวซึ่งเป็นวัสดุที่มีการส่งผ่านแสงเพิ่มขึ้นเมื่อความเข้มของแสงเกินค่าเกณฑ์ที่กำหนด วัสดุนี้อาจเป็นผลึกที่เจือด้วยไอออน เช่นCr:YAGซึ่งใช้สำหรับการ Q-switching ของเลเซอร์ Nd:YAGสีย้อมที่สามารถฟอกสีได้ หรือ อุปกรณ์ เซมิคอนดักเตอร์ แบบพาสซีฟ ในตอนเริ่มต้น การสูญเสียของตัวดูดซับจะสูง แต่ก็ยังต่ำพอที่จะทำให้เกิดการเลเซอร์ได้บ้างเมื่อมีพลังงานสะสมในตัวกลางขยายสัญญาณจำนวนมาก เมื่อกำลังของเลเซอร์เพิ่มขึ้น มันจะทำให้ตัวดูดซับอิ่มตัว กล่าวคือ ลดการสูญเสียของเรโซเนเตอร์อย่างรวดเร็ว ทำให้กำลังสามารถเพิ่มขึ้นได้เร็วยิ่งขึ้น ในอุดมคติแล้ว สิ่งนี้จะทำให้ตัวดูดซับอยู่ในสถานะที่มีการสูญเสียต่ำ เพื่อให้สามารถดึงพลังงานที่เก็บไว้โดยพัลส์เลเซอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ หลังจากพัลส์ ตัวดูดซับจะกลับคืนสู่สถานะที่มีการสูญเสียสูงก่อนที่ตัวกลางขยายสัญญาณจะกลับคืนสู่สภาพเดิม ทำให้พัลส์ถัดไปล่าช้าออกไปจนกว่าพลังงานในตัวกลางขยายสัญญาณจะถูกเติมเต็มอย่างสมบูรณ์ อัตราการเกิดพัลส์ซ้ำสามารถควบคุมได้โดยอ้อมเท่านั้น เช่น โดยการปรับ กำลัง ปั๊ม ของเลเซอร์ และปริมาณของสารดูดซับแบบอิ่มตัวในโพรง การควบคุมอัตราการเกิดพัลส์ซ้ำโดยตรงสามารถทำได้โดยการใช้แหล่งกำเนิดปั๊มแบบพัลส์ รวมถึงการสวิตช์ Q แบบพาสซีฟ

สามารถลด ความผันผวนได้โดยการไม่ลดค่า Q ลงมากนัก เพื่อให้แสงปริมาณเล็กน้อยยังคงไหลเวียนอยู่ในโพรงได้ ซึ่งจะให้ "เมล็ด" ของแสงที่สามารถช่วยในการสร้างพัลส์ Q-switched ถัดไปได้

ในการ ระบายลำแสง ออกจากโพรงเลเซอร์ (cavity dumping ) กระจกปลายโพรงเลเซอร์จะสะท้อนแสงได้ 100% ดังนั้นจึงไม่มีลำแสงออกมาเมื่อค่า Q สูง แต่จะใช้สวิตช์ Q ในการ "ระบาย" ลำแสงออกจากโพรงเลเซอร์หลังจากหน่วงเวลา ค่า Q ของโพรงเลเซอร์จะเปลี่ยนจากต่ำไปสูงเพื่อเริ่มการสร้างเลเซอร์ จากนั้นจะเปลี่ยนจากสูงไปต่ำเพื่อ "ระบาย" ลำแสงออกจากโพรงเลเซอร์พร้อมกัน วิธีนี้จะสร้างพัลส์เอาต์พุตที่สั้นกว่าการสวิตช์ Q แบบปกติ โดยปกติจะใช้ตัวปรับสัญญาณแบบอิเล็กโทรออปติก (electro-optic modulator) สำหรับวิธีนี้ เนื่องจากสามารถทำให้ทำงานเป็น "สวิตช์" ลำแสงที่เกือบสมบูรณ์แบบเพื่อส่งลำแสงออกจากโพรงเลเซอร์ได้ง่าย ตัวปรับสัญญาณที่ระบายลำแสงอาจเป็นตัวปรับสัญญาณตัวเดียวกับที่สวิตช์ Q ของโพรงเลเซอร์ หรืออาจเป็นตัวปรับสัญญาณตัวที่สอง (อาจเหมือนกัน) การปรับตั้งโพรงเลเซอร์แบบระบายลำแสงนั้นซับซ้อนกว่าการสวิตช์ Q แบบธรรมดา และอาจต้องใช้ลูปควบคุมเพื่อเลือกเวลาที่ดีที่สุดในการระบายลำแสงออกจากโพรงเลเซอร์

ในการขยายสัญญาณแบบสร้างใหม่ (regenerative amplification) เครื่องขยายสัญญาณแสงจะถูกวางไว้ภายในโพรงที่ควบคุมด้วยสวิตช์ Q พัลส์แสงจากเลเซอร์อีกตัวหนึ่ง ("ออสซิลเลเตอร์หลัก") จะถูกส่งเข้าไปในโพรงโดยการลดค่า Q เพื่อให้พัลส์เข้าไปได้ จากนั้นจึงเพิ่มค่า Q เพื่อกักพัลส์ให้อยู่ภายในโพรง ซึ่งจะสามารถขยายสัญญาณได้โดยการผ่านตัวกลางขยายสัญญาณซ้ำๆ จากนั้นพัลส์จะออกจากโพรงผ่านสวิตช์ Q อีกตัวหนึ่ง

เลเซอร์แบบ Q-switched ทั่วไป (เช่น เลเซอร์ Nd:YAG) ที่มีความยาวของเรโซเนเตอร์ประมาณ 10 ซม. สามารถสร้างพัลส์แสงที่มีระยะเวลาหลายสิบนาโนวินาทีได้ แม้ว่ากำลังเฉลี่ยจะต่ำกว่า 1 วัตต์มาก แต่กำลังสูงสุดก็อาจสูงถึงหลายกิโลวัตต์ ระบบเลเซอร์ขนาดใหญ่สามารถสร้างพัลส์ Q-switched ที่มีพลังงานหลายจูลและกำลังสูงสุดในระดับกิกะวัตต์ ในทางกลับกัน เลเซอร์ไมโครชิปแบบ Q-switched แบบพาสซีฟ (ที่มีเรโซเนเตอร์สั้นมาก) ได้สร้างพัลส์ที่มีระยะเวลาต่ำกว่าหนึ่งนาโนวินาทีและอัตราการทำซ้ำของพัลส์ตั้งแต่หลายร้อยเฮิรตซ์ถึงหลายเมกะเฮิรตซ์ (MHz)

เลเซอร์แบบ Q-switched มักใช้ในแอปพลิเคชันที่ต้องการความเข้ม ของเลเซอร์สูง ในพัลส์ระดับนาโนวินาที เช่น การตัดโลหะหรือโฮโลแกรม แบบพัลส์ ทัศนศาสตร์แบบไม่เชิงเส้นมักใช้ประโยชน์จากกำลังสูงสุดที่สูงของเลเซอร์เหล่านี้ โดยนำเสนอแอปพลิเคชันต่างๆ เช่นการจัดเก็บข้อมูลเชิงแสงแบบ 3 มิติและการผลิตไมโครแบบ 3 มิติอย่างไรก็ตาม เลเซอร์แบบ Q-switched ยังสามารถใช้เพื่อวัตถุประสงค์ในการวัดได้ เช่น การวัดระยะทาง ( การหาช่วง ) โดยการวัดเวลาที่พัลส์ใช้ในการเดินทางไปยังเป้าหมายและแสงสะท้อนกลับมายังผู้ส่ง นอกจากนี้ยังสามารถใช้ใน การศึกษา พลศาสตร์ทางเคมีเช่นการศึกษาการผ่อนคลายการกระโดดของอุณหภูมิ^{[ 8 ]}

เสียงภายนอก
“การคิดใหม่เรื่องหมึก พิมพ์” พอดแคสต์ Distillationsตอนที่ 220 สถาบันประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์

เลเซอร์ Q-switched ยังใช้ในการลบรอยสัก โดยการสลายเม็ดสีหมึกให้เป็นอนุภาคที่ถูกกำจัดออกโดย ระบบน้ำเหลืองของร่างกายการลบออกอย่างสมบูรณ์อาจใช้เวลาตั้งแต่หกถึงยี่สิบครั้ง ขึ้นอยู่กับปริมาณและสีของหมึก โดยเว้นระยะห่างอย่างน้อยหนึ่งเดือน และใช้ความยาวคลื่น ที่แตกต่างกัน สำหรับหมึกสีต่างๆ^{[ 9 ]}ปัจจุบันเลเซอร์ Nd:YAG เป็นเลเซอร์ที่ได้รับความนิยมมากที่สุดเนื่องจากมีกำลังสูงสุดสูง อัตราการทำซ้ำสูง และต้นทุนค่อนข้างต่ำ ในปี 2013 มีการนำเลเซอร์พิโคเซคอนด์มาใช้โดยอิงจากการวิจัยทางคลินิก ซึ่งดูเหมือนว่าจะแสดงให้เห็นถึงการกำจัดที่ดีกว่าสำหรับสีที่ลบยาก เช่น สีเขียวและสีฟ้าอ่อน เลเซอร์ Q-switched ยังสามารถใช้เพื่อลบรอยด่างดำและแก้ไขปัญหาเม็ดสีผิวอื่นๆ ได้อีกด้วย

• การก่อสร้างด้วยเลเซอร์
• การสลับเกน
• เครื่องฉีดเมล็ดพันธุ์