[發明專利]一種低電壓雙塊晶體電光Q開關

有效

• 申請號: 202110783480.3
• 申請日: 2021-07-12
• 公開（公告）號: CN113471802B
• 公開（公告）日: 2023-01-24
• 發明（設計）人: 商繼芳;孫軍;楊金鳳;周婭玲;郝好山
• 申請（專利權）人: 河南工程學院
• 主分類號: H01S3/115
• 分類號: H01S3/115
• 代理公司: 鄭州優盾知識產權代理有限公司 41125
• 代理人: 王紅培

本發明提供了一種低電壓雙塊晶體電光Q開關，屬于晶體材料在光電技術領域中的應用。本發明是由兩塊鈮酸鋰或者鉭酸鋰晶體按照特殊的設計切型和設計晶軸取向制成的一種電光Q開關器件，用于YAG激光器及其他激光器中作電光調Q使用。通過優化設計開關構型，本發明解決了現有技術存在的半波電壓高、消光比低、受兩晶體溫差及長度偏差影響大、對加工精度、溫控精度、晶體質量要求苛刻等缺點，設計的雙塊晶體電光Q開關同時兼顧了半波電壓低、溫度范圍寬、兩晶體溫差及長度偏差容許范圍大、消光比更高等優點，更加有利于實際應用。

技術領域

本發明涉及激光器件領域，特別涉及一種低電壓雙塊晶體電光Q開關。

背景技術

電光調Q技術是目前獲得高峰值功率短脈沖激光最常采用的方式之一，其利用電光晶體的電光效應，通過在晶體上施加階躍式的調Q電壓，使激光通過晶體后偏振狀態發生周期性改變，配合偏振鏡的使用，能夠周期性調制激光諧振腔內的損耗，使能量在高損耗期間在激光工作物質中大量存儲，當積累到最大值時，使腔內損耗突然降至最低，此時激光振蕩將迅速建立，并在極短時間內快速釋放出大量能量，從而實現高峰值功率窄脈寬激光輸出。作為一種主動調Q技術，電光調Q具有開關速率高、關斷能力強等優點，激光輸出的時間可以精確控制，激光器和其他聯動儀器之間能夠實現高精度同步，因此電光調Q技術得到了大量應用，電光Q開關器件廣泛應用于脈沖激光器中。

對于電光Q開關而言，低半波電壓、高消光比、高溫度穩定性、高抗光損傷閾值、大通光口徑、低成本、易加工等是評價其實用性的關鍵指標，但目前能夠完全滿足這些要求的電光晶體非常少，已得到實際應用的僅有磷酸二氘鉀（KD₂PO₄，DKDP）、鈮酸鋰（LiNbO₃，LN）、磷酸鈦氧銣（RbTiOPO₄，RTP）三種，且各有不足。DKDP晶體易潮解，需要特殊封裝，低溫下匹配液折射率的變化導致開關性能不穩定，甚至無法工作，并且DKDP電光Q開關采用的是縱向調制方式，半波電壓較高且不可調，環狀電極制備復雜且電場不易均勻，導致開關動態消光比低。LN電光Q開關的半波電壓雖然可以通過增加縱橫比來降低，但這樣器件口徑較小或者長度較長，會導致開關消光比較低，常規尺寸的傳統LN調Q開關半波電壓較高。RTP晶體是近年來新發展使用的晶體，具有電光系數大、損傷閾值高、壓電系數小等優點，但其為雙軸晶體，需要配對使用以補償自然雙折射，對兩塊晶體的光學質量、加工偏差、溫度偏差等都極為敏感，受制備技術的限制，目前國內的應用多依托進口，不僅價格昂貴，而且易受到限制。

相比于其他晶體，LN晶體物化性能穩定、生長技術較為成熟、生長成本較低，能夠滿足大口徑光電器件制備的需求，且可在寬溫度范圍內工作，是一種綜合性能較好、性價比較高的電光晶體。雖然對于傳統z切LN電光Q開關，由于利用的電光系數γ₂₂較小（約3.4 pm/V），導致半波電壓較高，但LN晶體的其他電光系數較大，如γ₃₃約為30.8 pm/V、γ₅₁約為28pm/V，因此，通過優化開關構型和加電方式，能夠進一步降低半波電壓。前期，有研究者提出x或y切LN電光Q開關，即采用沿z軸加電場、沿x或y軸通光的調制方式，并采用兩塊晶體配對補償自然雙折射，這種方式利用的有效電光系數較大，因而半波電壓大幅下降。例如，相同開關尺寸的情況下，動態1/4波電壓由傳統方式下的3600V下降至1200V左右。但是，由于這種方式下通光方向和光軸成90°，自然雙折射最大，其受溫度的影響也最大，導致開關性能極不穩定，對兩塊晶體的溫差、加工偏差以及晶體光學質量等都非常敏感，因而難于實用。

發明內容