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Qスイッチング（巨大パルス形成またはQスポイリングとも呼ばれる）[ 1 ]は、レーザーからパルス出力ビームを生成する技術です。この技術により、連続波（定出力）モードで動作する同じレーザーから生成されるよりもはるかに高い（ギガワット）ピークパワーを持つ光パルスを生成できます。レーザーによるパルス生成のもう1つの技術であるモード同期と比較すると、Qスイッチングはパルス繰り返し周波数がはるかに低く、パルスエネルギーがはるかに高く、パルス持続時間がはるかに長くなります。この2つの技術は、一緒に使用されることもあります。
Qスイッチングは、1958年にゴードン・グールドによって初めて提唱され、[ 2 ] 1961年か1962年にヒューズ研究所のロバート・W・ヘルワースとFJ・マックラングによって、ルビーレーザーの電気的に切り替えられるカーセルシャッターを用いて独立に発見され、実証されました。[ 3 ] Qスイッチングなどの光学的非線形性は、この研究で1981年にノーベル賞を受賞したニコラス・ブロンベルゲンによって完全に説明されました。[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]
Qスイッチングは、レーザーの光共振器内に可変減衰器を設置することで実現されます。減衰器が機能しているときは、利得媒体から出た光は戻ってこないため、レーザー発振は開始されません。共振器内でのこの減衰は、光共振器のQ値（品質係数）の低下に対応します。Q値が高いほど、往復あたりの共振器損失は小さくなり、その逆もまた然りです。この目的で使用される可変減衰器は、一般的に「Qスイッチ」と呼ばれます。
最初は、Qスイッチを利得媒体への光のフィードバックを防ぐように設定して（低Qの光共振器を生成する）、レーザー媒質を励起します。これにより反転分布は生成されますが、共振器からのフィードバックがないため、レーザー動作はまだ起こりません。誘導放出の速度は媒質に入射する光の量に依存するため、媒質を励起すると利得媒体に蓄積されるエネルギー量が増加します。自然放出やその他のプロセスによる損失のため、一定時間後に蓄積されたエネルギーはある最大値に達します。このとき、媒質は利得飽和状態にあると言われます。この時点で、Qスイッチデバイスを低Qから高Qに素早く切り替え、フィードバックを可能にし、誘導放出による光増幅プロセスを開始します。利得媒体にはすでに大量のエネルギーが蓄積されているため、レーザー共振器内の光強度は非常に速く増加します。これにより、媒質に蓄積されたエネルギーもほぼ同じ速さで減少します。その結果、レーザーからは非常に高いピーク強度を持つ可能性のある、巨大パルスと呼ばれる短い光パルスが出力される。
Qスイッチングには主に2つの種類があります。
ここで、Qスイッチは外部制御可能な可変減衰器です。これは、キャビティ内に配置されたシャッター、チョッパーホイール、回転ミラー/プリズムなどの機械装置である場合もあれば、（より一般的には）音響光学素子、磁気光学効果素子、電気光学素子（ポッケルスセルやカーセルなど）といった変調器である場合もあります。損失の低減（Q値の増加）は、通常は電気信号などの外部イベントによってトリガーされます。したがって、パルス繰り返し周波数を外部から制御できます。変調器は一般的に、低Q値から高Q値への遷移を高速化し、より優れた制御性を提供します。変調器のもう1つの利点は、除去された光をキャビティから取り出して他の用途に利用できることです。あるいは、変調器が低Q値の状態にあるとき、外部で生成されたビームを変調器を通してキャビティに結合させることができます。これは、所望の特性（横モードや波長など）を持つビームでキャビティを「シード」するために使用できます。 Q値を上げると、初期のシード光からレーザー発振が立ち上がり、シード光の特性を受け継いだQスイッチパルスが生成される。
この場合、Qスイッチは飽和吸収体であり、光の強度がある閾値を超えると透過率が増加する材料です。この材料は、 Nd:YAGレーザーのQスイッチングに使用されるCr:YAGのようなイオン添加結晶、漂白可能な色素、または受動半導体デバイスなどです。吸収体の損失は最初は高いですが、利得媒体に大量のエネルギーが蓄積されると、ある程度のレーザー発振を可能にするのに十分なほど低い値です。レーザー出力が増加すると、吸収体が飽和し、共振器の損失が急速に減少するため、出力をさらに速く増加させることができます。理想的には、これにより吸収体は低損失状態になり、レーザーパルスによって蓄積されたエネルギーを効率的に抽出できるようになります。パルス後、利得が回復する前に吸収体は高損失状態に戻るため、利得媒体のエネルギーが完全に補充されるまで次のパルスは遅延されます。パルス繰り返し周波数は、レーザーの励起パワーや共振器内の可飽和吸収体の量を変化させるなど、間接的にしか制御できません。パルス励起光源とパッシブQスイッチングを用いることで、繰り返し周波数を直接制御できます。
Q値をそれほど下げないことでジッターを低減できる。そうすることで、共振器内に少量の光が循環するようになり、次のQスイッチパルスの生成を助ける「種」となる光が得られる。
キャビティダンピングでは、キャビティ端面ミラーは100%反射するため、Q値が高いときは出力ビームは生成されません。代わりに、Qスイッチを使用して、一定時間遅延後にビームをキャビティから「排出」します。レーザーの立ち上がりを開始するためにキャビティQ値は低から高に変化し、その後、キャビティからビームを一気に「排出」するために高から低に変化します。これにより、通常のQスイッチングよりも短い出力パルスが生成されます。通常、この目的には電気光学変調器が使用されます。これは、ビームをキャビティから結合するためのほぼ完璧なビーム「スイッチ」として容易に機能させることができるためです。ビームを排出する変調器は、キャビティのQスイッチングを行う変調器と同じものでも、2つ目の（おそらく同一の）変調器でも構いません。ダンピングされたキャビティは、単純なQスイッチングよりも調整が複雑であり、キャビティからビームを排出する最適なタイミングを選択するための制御ループが必要になる場合があります。
再生増幅では、光増幅器がQスイッチ共振器内に配置されます。別のレーザー（「マスター発振器」）からの光パルスは、Q値を下げてパルスが共振器内に入り込むようにし、その後Q値を上げてパルスを共振器内に閉じ込めることで、増幅媒体を繰り返し通過させ、共振器内に送り込みます。増幅されたパルスは、別のQスイッチを介して共振器から放出されます。
例えば共振器長が10cm程度の一般的なQスイッチレーザー（Nd:YAGレーザーなど）は、 数十ナノ秒の光パルスを生成できます。平均出力が1Wをはるかに下回る場合でも 、ピーク出力は数キロワットに達することがあります。大規模なレーザーシステムでは、数ジュールのエネルギーとギガワット級のピーク出力を持つQスイッチパルスを生成できます。一方、受動Qスイッチマイクロチップレーザー（共振器が非常に短い）では、1ナノ秒をはるかに下回るパルス幅と、数百ヘルツから数メガヘルツ（MHz）のパルス繰り返し周波数を持つパルスを生成しています。
Qスイッチレーザーは、金属切断やパルスホログラフィーなど、ナノ秒パルスで高強度のレーザーを必要とする用途でよく使用されます。非線形光学では、これらのレーザーの高いピークパワーを利用して、3D光データストレージや3Dマイクロファブリケーションなどの用途が提供されています。しかし、Qスイッチレーザーは、パルスがターゲットに到達し、反射光が送信機に戻ってくるまでの時間を測定することによって距離測定（レンジファインディング）などの測定目的にも使用できます。また、温度ジャンプ緩和研究などの化学ダイナミクス研究にも使用できます。[ 8 ]
Qスイッチレーザーは、インクの色素を粒子に砕き、体のリンパ系によって除去することでタトゥーを除去するためにも使用されます。インクの量と色によって、完全な除去には6～20回の治療が必要で、少なくとも1か月間隔で、異なる色のインクには異なる波長を使用します。[ 9 ] Nd:YAGレーザーは、ピーク出力が高く、繰り返し周波数が高く、比較的低コストであるため、現在最も好まれているレーザーです。2013年には、緑や水色などの除去しにくい色に対してより良い除去効果を示すと思われる臨床研究に基づいて、ピコ秒レーザーが導入されました。Qスイッチレーザーは、シミを除去したり、他の皮膚の色素沈着の問題を修正するためにも使用できます。