Qスイッチングの動作原理とは？精密レーザー治療のための高ピークパワーをマスターする

Qスイッチングの動作原理は、川をせき止めるダムに例えることができます。レーザー共振器内に一時的に高い光損失を導入することで、ゲイン媒質内部でエネルギーが蓄積される間、システムは光の放出を防ぎます。蓄積されたエネルギーが最大容量に達すると、「ダム」は効果的に破壊され、エネルギーは単一の、極めて短く強力なパルスとして放出されます。

Qスイッチングは、レーザーの品質係数（Q）を操作することによって機能します。これにより、光の放出が抑制されて、反転分布が飽和し、その後、共振器の共振能力が突然回復し、高ピークパワーの巨大パルスが生成されます。

エネルギー蓄積の仕組み

「品質」係数の制御

「Q」という用語は、レーザー共振器の品質係数を指します。高い「Q」は、エネルギー損失が少なく、レーザーが容易に光を放出できる共振器を示します。

逆に、低い「Q」は高い損失を示します。Qスイッチは、これら2つの状態を急速に切り替えることができるデバイスであり、レーザーがいつ発射されるかを正確に制御します。

ゲインしきい値の上昇

エネルギーを蓄積するために、Qスイッチは最初に「閉じた」状態に設定されます。これにより、大幅な共振器損失が発生します。

これらの損失により、レーザーが発射を開始するために必要な最小エネルギー量であるゲインしきい値が人工的に上昇します。損失が高いままである限り、エネルギーが注入されてもレーザーは光の放出を妨げられます。

パルス生成の3つの段階

1. 反転分布の構築

Qスイッチが光路をブロックしている間、ポンピング源（フラッシュランプやダイオードなど）はゲイン媒質にエネルギーを供給し続けます。

これにより、媒質中の原子が励起状態に達します。レーザーはまだ発射できないため、これらの励起された原子が蓄積し、大規模な反転分布が形成されます。

2. 飽和

ゲイン媒質が完全に飽和するまで、エネルギーの蓄積は続きます。

この段階では、媒質は、コンデンサが限界まで充電された状態と同様に、蓄積できる最大の潜在エネルギーを保持しています。

3. 放出（スイッチの開放）

飽和の正確な瞬間に、Qスイッチが「開かれ」ます。

これにより、共振器損失が瞬時に急落します。その結果、ゲインしきい値は媒質に蓄積されたエネルギーレベルをはるかに下回ります。

レーザーはこの大量の過剰なエネルギーを一度に放出しようとします。その結果、極めて高いピークパワーを持つ、巨大で圧縮された光パルスが生成されます。

トレードオフの理解

パルス持続時間 vs. 連続波

Qスイッチングは、連続照明用に設計されていません。ビームの持続時間を犠牲にして強度を最大化します。

総エネルギーは時間とともに連続波レーザーと同程度かもしれませんが、配信はナノ秒に圧縮され、桁違いに高いピークパワーが生成されます。

コンポーネントへのストレス

このエネルギー放出の激しさは、光学コンポーネントに大きなストレスを与えます。

ピークパワーが非常に高いため、内部ミラーとゲイン媒質自体は、損傷を受けることなく、光子の強烈なバーストに耐えられるほど堅牢である必要があります。

目標に合わせた適切な選択

材料加工（穴あけ、切断、マーキング）が主な目的の場合： Qスイッチングの原理は、高ピークパワーが加熱するのではなく、材料をクリーンに除去する衝撃波効果を生み出すため、理想的です。

デリケートな測定や一定の照明が主な目的の場合： パルス状の性質と極端なピーク強度により、デリケートなターゲットが損傷したり、一貫性のないデータストリームが生成されたりする可能性があるため、Qスイッチングは避けるべきです。

光損失のタイミングを制御することにより、Qスイッチングは標準的なエネルギー源を、瞬間のわずかな時間で莫大なパワーを供給できるツールに変えます。

概要表：

段階	Q係数状態	共振器損失	エネルギー状態	レーザー出力
1. ポンピング	低Q	高	反転分布構築中	なし（エネルギーを貯留）
2. 飽和	低Q	高	最大蓄積エネルギー	なし（発射準備完了）
3. 放出	高Q	低	急速な枯渇	巨大パルス（ナノ秒）