CN101075023A - 消除dkdp晶体电光开关内反向电场影响的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种消除DKDP晶体电光开关内反向电场影响的方法。该方法是将DKDP晶体电光开关内加在晶体两端的电极宽度都探出晶体端部一部分，探出部分的电极宽度大于或等于每端整个电极宽度的1/4。这样在反向电场区域没有晶体，那么即使存在反向电场，也不会对电光效应产生相反的作用。本发明将DKDP晶体电光开关内加在晶体两端的电极宽度的一部分探出晶体端部，使反向电场区域没有晶体，消除了电光晶体内反向电场对电光效应影响，反向电场不会对电光效应产生相反的作用。

Description

消除DKDP晶体电光开关内反向电场影响的方法

技术领域

本发明涉及一种消除DKDP晶体电光开关内反向电场对电光效应影响的方法，属于电光开关技术领域。

技术背景

当电光晶体受到外电场作用时具有双折射特性，介质中的双折射以两个正交方向即所谓的“快”、“慢”轴来表征，这两个轴具有不同的折射率，其折射率的大小与外加电场的大小成正比的称为线性电光效应，也称为普克尔效应。其折射率的变化与电场大小的平方成正比的称为二次电光效应，也称克尔效应。磷酸二氘钾(DKDP)晶体属于四方晶系，42m点群，当通光方向为Z轴并沿此方向加电场会产生普克尔效应，由此制成的电光调制器如图1所示，图中通光方向为Z轴，在DKDP晶体1的两侧各设一个正交偏振器2。

描述光在晶体中的传播规律一般采用折射率椭球方法，在主轴坐标系(X，Y，Z)光轴沿Z轴的单轴晶体折射率椭球方程为：

$\frac{x^2}{n_o^2}+\frac{y^2}{n_o^2}+\frac{z^2}{n_e^2}=1...\left(1\right)$

式中：n_o为o光折射率。n_e为e光折射率。由此可见，一束偏振光沿Z轴方向在晶体中传播，由于在X，Y方向折射率相同，其出射的偏振光与入射的偏振光方向一样。

当在DKDP晶体1上沿Z轴方向施加外电场时，折射率椭球方程为：

$\frac{x^2}{n_o^2}+\frac{y^2}{n_o^2}+\frac{z^2}{n_e^2}+2{\mathrm{\γ}}_{63}{E}_z\mathrm{xy}=1...\left(2\right)$

式中：E_z为沿Z轴方向所加电场，γ₆₃为DKDP晶体1的纵向电光系数。

令 $\left\{\begin{array}{c}x=\frac{1}{\sqrt{2}}(x^{\′}-y^{\′})\\ y=\frac{1}{\sqrt{2}}(x^{\′}+y^{\′})\\ z=z^{\′}\end{array}\right.$

代入(2)式得：

$\frac{x^{\′2}}{{(n_o-\mathrm{\Δn})}^2}+\frac{y^{\′2}}{{(n_o+\mathrm{\Δn})}^2}+\frac{z^{\′2}}{n_e}=1...\left(3\right)$

式中： $\mathrm{\Δn}=\frac{1}{2}{n}_o^3{\mathrm{\γ}}_{63}{E}_z$

由(3)式得出在x′方向的折射率比原来减少了 而在y′方向的折射率则增加了

当光沿z轴传播时由于沿x′方向振动的光波与沿y′方向振动的光波传播速度不同，光波通过厚度为L的DKDP晶体1后产生的位相延迟为：

$\mathrm{\Δ\φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(n_{y^{\′}}-n_{x^{\′}})L=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_o^3{\mathrm{\γ}}_{63}{E}_{z}L=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_o^3{\mathrm{\γ}}_{63}V...\left(4\right)$

式中：V＝E_zL为晶体两端所加电压，λ为入射光波长。

以上是在理想状态下得出的结果，现有的DKDP晶体电光开关内晶体实际加压方式如图2所示，DKDP晶体1为一圆柱体，在圆柱两端分别加上两个环状电极3并在两个电极上加上电压。选择如图3所示的坐标系来描述DKDP晶体内部的场强分布。

设在晶体两端电极上加恒定电压V，电极径向厚度为零，图3左、右端面电荷密度分为σ和-σ。则晶体中任一点P(x，y，z)电场强度在Z方向的分量E_z为：

$E_z(x,y,z)=-\frac{d}{\mathrm{dz}}\frac{\mathrm{\σ}}{4\mathrm{\π\ϵ}}\left[{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\frac{L}{2}}^{-\frac{L}{2}+a}\right[\frac{1}{\sqrt{{(x-R\cos \left(\mathrm{\φ}\right))}^2+{(y-R\sin \left(\mathrm{\φ}\right))}^2+{(z-z_1)}^2}}]d{z}_1\mathrm{d\φ}$

$-{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\∫}_{\frac{L}{2}-a}^{\frac{L}{2}}\left[\frac{1}{\sqrt{{(x-R\cos \left(\mathrm{\φ}\right))}^2+{(y-R\sin \left(\mathrm{\φ}\right))}^2+{(z-z_1)}^2}}\right]d{z}_1\mathrm{d\φ}]...\left(5\right)$

式中：ε为晶体的介电常数。为作图方便令 $\frac{\mathrm{\σ}}{4\mathrm{\π\ϵ}}=1,$ 用matchcad作图分别求解晶体长度L＝28mm，电极宽度a＝5.5mm及a＝10mm晶体内部不同数值Z的电场强度E_z，如图4--图13所示，其中图4--图8是电极宽度a＝5.5mm晶体内部不同数值Z的电场强度E_z，图9--图13是电极宽度a＝10mm晶体内部不同数值Z的电场强度E_z。

由图4--图13得出在距晶体端面

电极宽度处到该晶体端面之间Z向的电场为负值，即在电光效应中这部分晶体将起相反的效果，由对称性在晶体另一端可得到相同的结论。

发明内容

针对现有DKDP晶体电光开关内晶体端面电极宽度处到该晶体端面之间存在的反向电场对电光效应产生相反作用的问题，本发明提供一种能够消除DKDP晶体电光开关内反向电场对电光效应影响的方法。

本发明的消除DKDP晶体电光开关内反向电场影响的方法是将DKDP晶体电光开关内加在晶体两端的电极宽度都探出晶体端部一部分，探出部分的电极宽度大于或等于每端整个电极宽度的1/4。这样在反向电场区域没有晶体，那么即使存在反向电场，也不会对电光效应产生相反的作用。

本发明将DKDP晶体电光开关内加在晶体两端的电极宽度的一部分探出晶体端部，使反向电场区域没有晶体，消除了电光晶体内反向电场对电光效应影响，反向电场不会对电光效应产生相反的作用。

附图说明

图1是DKDP晶体沿通光方向加电场产生普克尔效应，由此制成的电光调制器的示意图。图中通光方向为Z轴。

图2是现有DKDP晶体电光开关内晶体实际加压方式示意图。

图3是晶体中坐标系的选择示意图。其中：L：晶体长度，R：晶体半径，a：电极宽度，Φ：晶体中任意一点P(x，y，z)在x-y平面上的投影和坐标原点的连线与X轴的夹角，V：电极两端所加的电压。

图4是当晶体长度L＝28mm，电极宽度a＝5.5mm，晶体内部z＝0的电场强度E_z用matchcad作出的示意图。 $\mathrm{Xm}=0.0005(m-10)\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{4}\right),$ $\mathrm{Ym}=0.0005(m-10)\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{4}\right),m=0\·\·\·20.$

图5是当晶体长度L＝28mm，电极宽度a＝5.5mm，晶体内部 $z=\frac{L}{2}-a$ 的电场强度E_z用matchcad作出的示意图。 $\mathrm{Xm}=0.0005(m-10)\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{4}\right),$ $\mathrm{Ym}=0.0005(m-10)\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{4}\right),m=0\·\·\·20.$

图6是当晶体长度L＝28mm，电极宽度a＝5.5mm，晶体内部 $z=\frac{L}{2}-\frac{1}{2}a$ 的电场强度E_z用matchcad作出的示意图。 $\mathrm{Xm}=0.0005(m-10)\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{4}\right),$ $\mathrm{Ym}=0.0005(m-10)\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{4}\right),m=0\·\·\·20.$

图7是当晶体长度L＝28mm，电极宽度a＝5.5mm，晶体内部 $z=\frac{L}{2}-\frac{1}{4}a$ 的电场强度E_z用matchcad作出的示意图。 $\mathrm{Xm}=0.0005(m-10)\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{4}\right),$ $\mathrm{Ym}=0.0005(m-10)\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{4}\right),m=0\·\·\·20.$

图8是当晶体长度L＝28mm，电极宽度a＝5.5mm，晶体内部 $z=\frac{L}{2}$ 的电场强度E_z用matchcad作出的示意图。

图9是当晶体长度L＝28mm，电极宽度a＝10mm，晶体内部z＝0的电场强度E_z用matchcad作出的示意图。 $\mathrm{Xm}=0.0005(m-10)\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{4}\right),$ $\mathrm{Ym}=0.0005(m-10)\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{4}\right),m=0\·\·\·20.$

图10是当晶体长度L＝28mm，电极宽度a＝10mm，晶体内部 $z=\frac{L}{2}-a$ 的电场强度E_z用matchcad作出的示意图。 $\mathrm{Xm}=0.0005(m-10)\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{4}\right),$ $\mathrm{Ym}=0.0005(m-10)\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{4}\right),m=0\·\·\·20.$

图11是当晶体长度L＝28mm，电极宽度a＝10mm，晶体内部 $z=\frac{L}{2}-\frac{1}{2}a$ 的电场强度E_z用matchcad作出的示意图。 $\mathrm{Xm}=0.0005(m-10)\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{4}\right),$ $\mathrm{Ym}=0.0005(m-10)\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{4}\right),m=0\·\·\·20.$

图12是当晶体长度L＝28mm，电极宽度a＝10mm，晶体内部 $z=\frac{L}{2}-\frac{1}{4}a$ 的电场强度E_z用matchcad作出的示意图。 $\mathrm{Xm}=0.0005(m-10)\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{4}\right),$ $\mathrm{Ym}=0.0005(m-10)\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{4}\right),m=0\·\·\·20.$

图13是当晶体长度L＝28mm，电极宽度a＝10mm，晶体内部 $z=\frac{L}{2}$ 的电场强度E_z用matchcad作出的示意图。

图14是实现本发明方法即部分电极宽度探出晶体表面的示意图。

图15是本发明实验用YAG调Q激光器的结构示意图。

图16是电极厚度为5.5mm时DKDP晶体长度为27mm与24mm的漏光比较图。

图17是电极厚度为2.75mm时DKDP晶体长度为27mm与24mm的漏光比较图。

图18是晶体长度L＝27mm时晶体电极宽度探出晶体端面一半与电极不探出晶体表面的实验数据比较图。

图19是晶体长度L＝24mm时晶体电极宽度探出晶体端面一半与电极不探出晶体表面的实验数据比较图。

图中：1、DKDP晶体，2、正交偏振器，3、环状电极，4、输出镜片，5、YAG棒，6、起偏器，7、全反射镜片，8、氙灯。

具体实施方式

实施例

如图14所示，探出晶体端面的电极宽度为整个电极宽度的一半。用图15所示的调Q激光器又称动态激光器进行试验。首先在DKDP晶体1上加上V_λ/4电压，在氙灯8的泵浦下增益介质YAG棒5的基态粒子跃迁到高能态上去，并通过自发辐射回到基态，由自发辐射产生的荧光经起偏器6后变成线偏振光，当其偏振光的方向与DKDP晶体x’、y’轴的夹角呈45°时这束偏振光的振幅投影到x’、y’轴上的振幅相等，由于x’与y’轴上的折射率不同，当这两束偏振光通过晶体时会产生π/2的光程差，经过全反射镜片7再通过晶体一次出射后的相位差为π，这两束偏振光合成后仍然为线偏振光，但其偏振方向较入射时的偏振方向旋转了90°因而不能通过起偏器6，在激光谐振腔内不能形成受激辐射无激光输出。当激光增益介质YAG上能级的粒子数达到最大值时瞬间退掉DKDP晶体上的电压使输出镜片4与全反射镜片5构成的激光谐振腔内形成受激辐射输出激光。起偏器6与DKDP晶体1起到了一个光开关的作用，这是电光晶体在调Q激光器上的一个应用。

由于DKDP晶体上所加电场并不是理想的沿Z轴方向的匀强电场，因此由DKDP晶体所形成的电光开关也不是一个理想的光电开关，必定在关闭时会产生一些漏光，且漏光大小随氙灯8泵浦功率增加而增加，DKDP晶体的漏光与其晶体长度的关系如图16和图17所示，漏光的测试是在图15的装置中DKDP晶体上加恒定的V_λ/4电压，当氙灯工作时测得的输出激光。实验表明在一定长度范围内DKDP晶体的漏光随其晶体长度的减少而增加。

不难理解晶体长度越小晶体内部的电场E_z越不均匀。图18和图19是不同长度的晶体电极宽度探出晶体表面一半与电极不探出晶体表面的实验数据比较。

图18中晶体长度为27mm，图19中晶体长度为24mm，在图18和图19中使用了两种宽度的电极分别是5.5mm和2.75mm，其中5.5mm宽度电极在使用时有一半宽度探出晶体表面外，2.75mm宽度电极与晶体表面平齐。这样在长度相同的晶体中两种宽度的电极之间的距离相同都等于L-2×2.75。从漏光情况上来看电极探出晶体表面与电极与晶体表面平齐相差不大，晶体长度为27mm时电极探出要好一点，但从调Q效果上来看不管哪种晶体长度，电极探出晶体表面均比电极与晶体表面平齐输出能量大。

将电极宽度的一半探出晶体表面比电极与晶体表面平齐调Q效果好，是一种减少电光晶体内反向电场影响的有效方法，且可以增加DKDP晶体的有效长度。

Claims (1)

1.一种消除DKDP晶体电光开关内反向电场影响的方法，其特征在于：该方法是将DKDP晶体电光开关内加在晶体两端的电极宽度都探出晶体端部一部分，探出部分的电极宽度大于或等于每端整个电极宽度的1/4。

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