CN113471802B - 一种低电压双块晶体电光q开关 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种低电压双块晶体电光Q开关,属于晶体材料在光电技术领域中的应用。本发明是由两块铌酸锂或者钽酸锂晶体按照特殊的设计切型和设计晶轴取向制成的一种电光Q开关器件,用于YAG激光器及其他激光器中作电光调Q使用。通过优化设计开关构型,本发明解决了现有技术存在的半波电压高、消光比低、受两晶体温差及长度偏差影响大、对加工精度、温控精度、晶体质量要求苛刻等缺点,设计的双块晶体电光Q开关同时兼顾了半波电压低、温度范围宽、两晶体温差及长度偏差容许范围大、消光比更高等优点,更加有利于实际应用。
Description
技术领域
本发明涉及激光器件领域,特别涉及一种低电压双块晶体电光Q开关。
背景技术
电光调Q技术是目前获得高峰值功率短脉冲激光最常采用的方式之一,其利用电光晶体的电光效应,通过在晶体上施加阶跃式的调Q电压,使激光通过晶体后偏振状态发生周期性改变,配合偏振镜的使用,能够周期性调制激光谐振腔内的损耗,使能量在高损耗期间在激光工作物质中大量存储,当积累到最大值时,使腔内损耗突然降至最低,此时激光振荡将迅速建立,并在极短时间内快速释放出大量能量,从而实现高峰值功率窄脉宽激光输出。作为一种主动调Q技术,电光调Q具有开关速率高、关断能力强等优点,激光输出的时间可以精确控制,激光器和其他联动仪器之间能够实现高精度同步,因此电光调Q技术得到了大量应用,电光Q开关器件广泛应用于脉冲激光器中。
对于电光Q开关而言,低半波电压、高消光比、高温度稳定性、高抗光损伤阈值、大通光口径、低成本、易加工等是评价其实用性的关键指标,但目前能够完全满足这些要求的电光晶体非常少,已得到实际应用的仅有磷酸二氘钾(KD2PO4,DKDP)、铌酸锂(LiNbO3,LN)、磷酸钛氧铷(RbTiOPO4,RTP)三种,且各有不足。DKDP晶体易潮解,需要特殊封装,低温下匹配液折射率的变化导致开关性能不稳定,甚至无法工作,并且DKDP电光Q开关采用的是纵向调制方式,半波电压较高且不可调,环状电极制备复杂且电场不易均匀,导致开关动态消光比低。LN电光Q开关的半波电压虽然可以通过增加纵横比来降低,但这样器件口径较小或者长度较长,会导致开关消光比较低,常规尺寸的传统LN调Q开关半波电压较高。RTP晶体是近年来新发展使用的晶体,具有电光系数大、损伤阈值高、压电系数小等优点,但其为双轴晶体,需要配对使用以补偿自然双折射,对两块晶体的光学质量、加工偏差、温度偏差等都极为敏感,受制备技术的限制,目前国内的应用多依托进口,不仅价格昂贵,而且易受到限制。
相比于其他晶体,LN晶体物化性能稳定、生长技术较为成熟、生长成本较低,能够满足大口径光电器件制备的需求,且可在宽温度范围内工作,是一种综合性能较好、性价比较高的电光晶体。虽然对于传统z切LN电光Q开关,由于利用的电光系数γ 22较小(约3.4 pm/V),导致半波电压较高,但LN晶体的其他电光系数较大,如γ 33约为30.8 pm/V、γ 51约为28pm/V,因此,通过优化开关构型和加电方式,能够进一步降低半波电压。前期,有研究者提出x或y切LN电光Q开关,即采用沿z轴加电场、沿x或y轴通光的调制方式,并采用两块晶体配对补偿自然双折射,这种方式利用的有效电光系数较大,因而半波电压大幅下降。例如,相同开关尺寸的情况下,动态1/4波电压由传统方式下的3600V下降至1200V左右。但是,由于这种方式下通光方向和光轴成90°,自然双折射最大,其受温度的影响也最大,导致开关性能极不稳定,对两块晶体的温差、加工偏差以及晶体光学质量等都非常敏感,因而难于实用。
发明内容
本发明提出了一种低电压双块晶体电光Q开关,解决了现有技术存在的半波电压高、消光比低、受两晶体温差及长度偏差影响大、对加工精度、温控精度、晶体质量要求苛刻等缺点,通过优化设计通光和电场方向,在使半波电压大幅降低的同时,增大两晶体温差、加工偏差的容许范围,降低开关性能对温差、长度偏差、光学不均匀性等的敏感性,提高开关的消光比,增强实用性,以满足实际应用需求。
实现本发明的技术方案是:
所述电光晶体为铌酸锂晶体或钽酸锂晶体。
所述晶体长度方向为通光方向,通光方向的两端面抛光并镀制激光增透膜;晶体厚度方向加电场,厚度方向的两晶面镀制金属膜。
两块晶体通过机械夹具或者光学胶合剂按照厚度/宽度方向相互垂直、长度方向取向一致固定。
除上述组合方式外,也可以将两块晶体按照相同方位放置,即厚度、宽度、长度方向分别平行,然后在两块晶体之间放置应用波长的1/2波片,1/2波片的长轴和短轴与晶体的厚度或宽度方向成45°角。
在激光谐振腔中应用时,通光面与激光传播方向垂直,晶体的厚度或宽度方向和偏振镜的透振方向成45°角,两块晶体上施加的电压极性相反。
本发明的有益效果是:
(1)半波电压大幅降低。本发明通过分析计算沿任意方向加电场、沿任意方向通光时的电光效应大小,优选出电光效应最大的调制方式,进而合理设计出最佳的晶体切型,设计的双块晶体电光Q开关半波电压大幅降低。例如,对于切割的双块晶体LN电光Q开关,其半波电压是传统z切LN电光Q开关的25%左右,比x切或y切LN电光Q开关低30%左右。此外,本发明电光Q开关的半波电压比相同尺寸的RTP电光Q开关更低,约是其一半左右。与RTP晶体相比,LN和LT晶体生长技术成熟,成本较低,能够满足大口径器件制备的需求,更有利于实际应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图2为本发明低电压双块晶体电光Q开关的一种结构示意图,每块晶体的切型如图1所示。
图3为本发明低电压双块晶体电光Q开关的一种结构示意图,每块晶体的切型如图1所示,图中P1、P2代表1/2波片的快轴和慢轴。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例,对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
采用LN晶体制备低电压双块晶体电光Q开关,设计Q开关晶体切型为,单块晶体尺寸为9 mm×9 mm×10 mm (厚度t×宽度b×长度l),应用于激光波长为1064 nm的激光器。将两块LN晶体按照切型切割,沿长度方向的两端面抛光并镀制1064nm的增透膜,长度方向为通光方向,在厚度方向的两晶面上镀制Au/Ti电极,沿厚度方向施加电场。利用机械夹具将两块晶体组合固定在一起,使其长度方向相互平行,厚度(宽度)方向相互垂直。在两块晶体上引出电极以施加调Q高压,两块晶体采用并联加电的方式,所加电压极性相反。
在激光器中应用时,通光面与激光传播方向垂直,Q开关的厚度和宽度方向与激光器中偏振镜的透振方向成45°角。
将此双块晶体电光Q开关应用在Nd:YAG激光器中,采用1/4波电压加压式调Q方式,实现了电光调Q的目的。不加电压时,光路能够完全关断。施加1/4波调Q高压时,获得了稳定的脉冲激光输出。1/4波电压为720V,重复频率为10Hz时,单脉冲输出能量约为200mJ,脉冲宽度约为7ns。利用正交偏光法测得该Q开关的消光比为120:1。
实施例2
采用LN晶体制备低电压双块晶体电光Q开关,设计Q开关晶体切型为,单块晶体尺寸为9 mm×9 mm×5 mm (厚度t×宽度b×长度l),应用于激光波长为1064 nm的激光器。将两块LN晶体按照切型切割,沿长度方向的两端面抛光并镀制1064nm的增透膜,长度方向为通光方向,在厚度方向的两晶面上镀制Au/Ti电极,沿厚度方向施加电场。将两晶体分别安装在两个装调支架上,使两晶体放置方位一致,即厚度、宽度、长度方向分别平行。在两晶体中间放置1064 nm半波片,调节使半波片的长轴和短轴方向与晶体的厚度或宽度方向成45°角。在两块晶体上引出电极以施加调Q高压,两块晶体采用并联加电的方式,所加电压极性相反。
在激光器中应用时,通光面垂直于激光传播方向,Q开关的厚度和宽度方向与激光器中偏振镜的透振方向成45°角。
将此双块晶体电光Q开关应用在Nd:YAG激光器中,采用1/4波电压加压式调Q方式,实现了电光调Q的目的。不加电压时,光路能够完全关断。施加1/4波调Q高压时,获得了稳定的脉冲激光输出。1/4波电压为1400V,重复频率为10Hz时,单脉冲输出能量约为200 mJ,脉冲宽度约为7 ns。利用正交偏光法测得该Q开关的消光比为200:1。
实施例3
采用LN晶体制备低电压双块晶体电光Q开关,设计Q开关晶体切型为,单块晶体尺寸为9 mm×9 mm×10 mm (厚度t×宽度b×长度l),应用于激光波长为1064nm的激光器。将两块LN晶体按照切型切割,沿长度方向的两端面抛光并镀制1064 nm的增透膜,长度方向为通光方向,在厚度方向的两晶面上镀制Au/Ti电极,沿厚度方向施加电场。利用机械夹具将两块晶体组合固定在一起,使其长度方向相互平行,厚度(宽度)方向相互垂直。在两块晶体上引出电极以施加调Q高压,两块晶体采用并联加电的方式,所加电压极性相反。
在激光器中应用时,通光面与激光传播方向垂直,Q开关的厚度和宽度方向与激光器中偏振镜的透振方向成45°角。
将此双块晶体电光Q开关应用在Nd:YAG激光器中,采用1/4波电压加压式调Q方式,实现了电光调Q的目的。不加电压时,光路能够完全关断。施加1/4波调Q高压时,获得了稳定的脉冲激光输出。1/4波电压为800V,重复频率为10Hz时,单脉冲输出能量约为200mJ,脉冲宽度约为7ns。利用正交偏光法测得该Q开关的消光比为130:1。
实施例4
采用LN晶体制备低电压双块晶体电光Q开关,设计Q开关晶体切型为,单块晶体尺寸为9 mm×9 mm×10 mm (厚度t×宽度b×长度l),应用于激光波长为1064 nm的激光器。将两块LN晶体按照切型切割,沿长度方向的两端面抛光并镀制1064 nm的增透膜,长度方向为通光方向,在厚度方向的两晶面上镀制Au/Ti电极,沿厚度方向施加电场。利用机械夹具将两块晶体组合固定在一起,使其长度方向相互平行,厚度(宽度)方向相互垂直。在两块晶体上引出电极以施加调Q高压,两块晶体采用并联加电的方式,所加电压极性相反。
在激光器中应用时,通光面与激光传播方向垂直,Q开关的厚度和宽度方向与激光器中偏振镜的透振方向成45°角。
将此双块晶体电光Q开关应用在Nd:YAG激光器中,采用1/4波电压加压式调Q方式,实现了电光调Q的目的。不加电压时,光路能够完全关断。施加1/4波调Q高压时,获得了稳定的脉冲激光输出。1/4波电压为1300V,重复频率为10Hz时,单脉冲输出能量约为200mJ,脉冲宽度约为7ns。利用正交偏光法测得该Q开关的消光比为150:1。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
2.根据权利要求1所述的低电压双块晶体电光Q开关,其特征在于:所述晶体长度方向为通光方向,通光方向的两端面抛光并镀制激光增透膜;晶体厚度方向加电场,厚度方向的两晶面镀制金属膜。
3.根据权利要求1所述的低电压双块晶体电光Q开关,其特征在于:两块晶体通过机械夹具或者光学胶合剂按照厚度/宽度方向相互垂直、长度方向取向一致固定。
4.根据权利要求1所述的低电压双块晶体电光Q开关,其特征在于:将两块晶体按照相同方位放置,即厚度、宽度、长度方向分别平行,然后在两块晶体之间放置应用波长的1/2波片,1/2波片的长轴和短轴与晶体的厚度或宽度方向成45°角。
5.权利要求1-4任一项所述的低电压双块晶体电光Q开关在激光谐振腔中的应用,其特征在于:在激光谐振腔中应用时,通光面与激光传播方向垂直,晶体的厚度或宽度方向和偏振镜的透振方向成45°角,两块晶体上施加的电压极性相反。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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