CN101976798B - 一种改善dkdp晶体普克尔盒性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种改善DKDP晶体普克尔盒性能的方法，在电光晶体的两端除了分别设有一个环状主电极以外，再分别增设一个环状辅助电极，使晶体的每一端均带有一个主电极和一个辅助电极，辅助电极在主电极与电光晶体端面之间，并且辅助电极与主电极隔开，晶体每端的辅助电极与主电极之间以及两个辅助电极之间均设有分压电阻，这样当主电极之间加上电压V时，通过分压电阻实现在主电极与辅助电极之间加上一个辅助电压，利用环状电极的电压特性，辅助电极产生的电压会弥补双电极晶体端面电压的不均性。本发明可有效改善电光开关径向消光比的均匀性，用在Q开关脉冲激光器中可减少电光开关的漏光，压缩输出激光脉冲宽度，提高动静比，增加激光输出功率。

Description

一种改善DKDP晶体普克尔盒性能的方法

技术领域

本发明涉及用多电极改善DKDP电光晶体普克尔盒性能的方法，属于电光开关技术领域。

背景技术

DKDP电光晶体(以下称晶体)在作普克尔盒使用时，一般使用一对环状电极，将这对电极称为主电极，如图1所示，在晶体1的两端各设有一个环状的主电极2。图1所示坐标系Z轴为通光方向，在两个主电极2之间加上电压V，当一束偏振方向与X轴或Y轴方向平行的线偏振光射入晶体1后，这束线偏振光可分解成两束相互垂直的线偏振光，由晶体的特性可知，这两束光通过晶体1时产生的相位延迟为：

$\mathrm{\Δ\φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_o^3{\mathrm{\γ}}_{63}V---\left(1\right)$

式中n_o为o光折射率；γ₆₃为晶体纵向电光系数；V为晶体两端所加电压；λ为线偏振光的波长。当Δφ＝π/2或π时所加电压V分别称为1/4波电压V_λ/4和半波电压V_λ/2。

假设主电极2为薄层金属，径向厚度为零，主电极2的宽度为a，两主电极加电压V后面电荷密度分别是σ和-σ，则晶体1内任意一点的电势为：

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

式中：ε为晶体的介电常数，R为晶体1的半径，L为晶体1的长度，Φ为电极上任意一点在X-Y平面上的投影与原点的连线与X轴的夹角，Z₁则为该点的Z轴坐标，由于晶体两端面对应点电压的轴对称性，其电压值可写为：

$\mathrm{\ΔU}\left(x\right)=U(x,0,-\frac{L}{2})-U(x,0,\frac{L}{2})---\left(3\right)$

定义晶体端面电压均匀性P(x)为：

$P\left(x\right)=\frac{\mathrm{\ΔU}\left(x\right)-\mathrm{\ΔU}\left(0\right)}{\mathrm{\ΔU}\left(0\right)}\×100---\left(4\right)$

令晶体1的半径R＝6mm，x＝(-6mm-6mm)，用matchcad(交互式数值计算系统)作图求出不同晶体长度L及主电极宽度a的电压均匀性P(x)，如图2所示，图2中的三组数据分别是L＝28mm，a＝8mm；L＝26mm，a＝7.5mm；L＝24mm，a＝7mm。由图2可以看出晶体两端面对应点的电压并不相同，晶体中心点最低，当x＝3mm，P_L＝28mm(3)＝2.61％，P_L＝26mm(3)＝3％，P_L＝24mm(3)＝3.42％。

当有一定光斑大小的线偏振光通过图1所示的晶体时，上述电压的不均匀性必定会使光斑径向方向产生的相位延时不一致。

将晶体长度L＝26mm、主电极宽度a＝7.5的晶体放到一对偏振方向相互垂直的偏振片中进行消光比测试，如图3所示，一束光束直径为1mm的氦氖激光光束从起偏器3左端沿中心射入晶体1，绕晶体1的Z轴旋转晶体使检偏器4右方输出光强最小，调整晶体1上所加电压V使其等于半波电压V_λ/2，测得晶体的消光比T：

$T=\frac{I_{\max }}{I_{\min }}---\left(5\right)$

式中I_max与I_min分别为晶体加半波电压与不加半波电压时检偏器4右方的输出光强。沿晶体R方向平移晶体，每间隔1mm测一次消光比，其归一化的消光比如图4所示，当R＝3mm时消光比减少了36％。

综上所述，在环状电极的电光晶体中由于端面电压的不均匀性，在晶体不同R的半径上会有不同的消光比，这样，当把电光晶体作为开关用到图5所示的调Q脉冲激光器中后，由于激光光束有一定的半径，在激光器关门时会产生漏光，减少了激光上能级粒子数的积累，影响了调Q激光束输出质量。图5所示的调Q脉冲激光器包括激光输出镜5、激光晶体6、布式起偏镜7、激光全反镜8和泵浦光源9。

虽然，增大电极宽度可以增加电压的均匀度，但受晶体长度的影响电极不可能加得太宽，另外电极太宽会增加普克尔盒的电容量，当用于调Q激光器时会增加激光输出脉冲宽度。

发明内容

针对现有DKDP电光晶体普克尔盒存在的环状电极晶体端面电压不均匀性造成对电光晶体消光比的影响的问题，本发明提供一种能够弥补双电极电压的不均性、改善DKDP晶体普克尔盒性能的方法。

本发明的改善DKDP晶体普克尔盒性能的方法是：

在电光晶体的两端除了分别设有一个环状主电极以外，再分别增设一个环状辅助电极，使晶体的每一端均带有一个主电极和一个辅助电极，辅助电极在主电极与电光晶体端面之间，并且辅助电极与主电极隔开，晶体每端的辅助电极与主电极之间以及两个辅助电极之间均设有分压电阻，这样当主电极之间加上电压V时，通过分压电阻实现在主电极与辅助电极之间加上一个辅助电压，利用环状电极的电压特性，辅助电极产生的电压会弥补双电极晶体端面电压的不均性。

本发明通过辅助电极弥补双电极电压的不均性，使得晶体电光开光性能明显好于双电极晶体，可有效改善电光开关径向消光比的均匀性，用在Q开关脉冲激光器中可减少电光开关的漏光、压缩输出激光脉冲宽度、提高动静比、增加激光输出功率。

附图说明

图1是现有DKDP晶体环状主电极加装方式的示意图。

图2是不同晶体长度及电极宽度的双电极电压均匀性P(x)曲线示意图。

图3是消光比测试装置的结构示意图。

图4是双电极归一化消光比的曲线示意图。

图5是调Q激光器的结构示意图。

图6是本发明的原理示意图。

图7是本发明带有两种不同电极晶体的电压均匀性P₂(x)与现有双电极电压均匀性P(x)的比较示意图。

图8是本发明带有两种不同电极晶体的归一化消光比与现有双电极归一化消光比的比较示意图。

图9是不同电极形式的晶体在V_λ/4＝3800v恒定电压下激光器的漏光值比较示意图。

图10是不同电极形式的晶体在V_λ/4＝3800v电压下激光器的调Q激光输出脉冲宽度值比较示意图。

图11是不同电极形式的晶体在V_λ/4＝3800v电压下激光器的动静比比较示意图。

图12是不同电极形式的晶体在V_λ/4＝3800v电压下激光器的调Q激光输出功率比较示意图。

图中：1、晶体，2、主电极，3、起偏器，4、检偏器，5、激光输出镜，6、激光晶体，7、布式起偏镜，8、激光全反镜，9、泵浦光源，10、辅助电极，11、分压电阻，

具体实施方式

图6给出了本发明的原理示意图，是在电光晶体1的两端除了设有两个环状主电极2以外，再分别加上两个环状辅助电极10，辅助电极10与主电极2之间的间隔距离为b，辅助电极10与主电极2之间、辅助电极与辅助电极之间设有分压电阻11。辅助电极10与主电极2的宽度一样。当主电极2之间加上电压V时，通过分压电阻11实现在主电极2与辅助电极10之间加上一个辅助电压。利用环状电极的电压特性，辅助电极产生的电压会弥补双电极电压的不均性。

设晶体1的长度为L，同样假设主电极2及辅助电极10为薄层金属，径向厚度为零，晶体1一端主电极2和辅助电极10上的面电荷密度分别为σ和σ/c，其中c为一常数，依赖于分压电阻11的大小。同样晶体1另一端的主电极2与辅助电极10上的面电荷密度分别为-σ和-σ/c，采用图1所示坐标系，公式(2)、(3)、(4)分别改写为：

$U_2(x,y,z)=\frac{\mathrm{\σ}}{4\mathrm{\π\ϵ}}\left(\begin{array}{c}\frac{1}{c}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\frac{L}{2}}^{-\frac{L}{2}+a}\frac{1}{\sqrt{{(x-R\cos \left(\mathrm{\φ}\right))}^2+{(y-R\sin \left(\mathrm{\φ}\right))}^2+{\left(z{-z}_1\right)}^2}}d{z}_1\mathrm{d\φ}\\ {\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\frac{L}{2}+a+b}^{-\frac{L}{2}+2a+b}\frac{1}{\sqrt{{(x-R\cos \left(\mathrm{\φ}\right))}^2+{(y-R\sin \left(\mathrm{\φ}\right))}^2+{\left(z{-z}_1\right)}^2}}d{z}_1\mathrm{d\φ}\\ -{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\∫}_{\frac{L}{2}-2a-b}^{\frac{L}{2}-a-b}\frac{1}{\sqrt{{(x-R\cos \left(\mathrm{\φ}\right))}^2+{(y-R\sin \left(\mathrm{\φ}\right))}^2+{\left(z{-z}_1\right)}^2}}d{z}_1\mathrm{d\φ}\\ -\frac{1}{c}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\∫}_{\frac{L}{2}-a}^{\frac{L}{2}}\frac{1}{\sqrt{{(x-R\cos \left(\mathrm{\φ}\right))}^2+{(y-R\sin \left(\mathrm{\φ}\right))}^2+{\left(z{-z}_1\right)}^2}}d{z}_1\mathrm{d\φ}\end{array}\right)---\left(6\right)$

$\mathrm{\Δ}{U}_2\left(x\right)=U(x,0,-\frac{L}{2})-U(x,0,\frac{L}{2})---\left(7\right)$

$P_2\left(x\right)=\frac{\mathrm{\ΔU}\left(x\right)-\mathrm{\ΔU}\left(0\right)}{\mathrm{\ΔU}\left(0\right)}\×100---\left(8\right)$

用matchcad作图求出的不同晶体长度L，电极宽度a，电极间隔b，常数c的P₂(x)如图7所示，图中三组数据分别为：L＝28mm，a＝2.75mm，b＝2，c＝5；L＝26mm，a＝2.75mm，b＝2，c＝6；L＝24mm，a＝2.75mm，b＝2，c＝6。当X＝3mm时P₂(3)分别等于0.077％，0.127％及0.031％，由图7并比较P(3)与P₂(3)，可以看出带辅助电极晶体端面电压的均匀性明显好于现有的双电极晶体。

将L＝26mm、a＝2.75mm、b＝2mm带有辅助电极的的晶体放到图3所示的装置中，选择分压电阻11使辅助电极10与其相邻的主电极2的阻值为5MΩ、两个辅助电极10之间的电阻为60MΩ，测得的消光比并与图4所示双电极的消光比的比较结果如图8所示。

将这两种不同电极形式的晶体组成的普克尔盒放到图5所示的调Q激光器装置中检测激光器输出性能进行比较：漏光值(在晶体上加上V_λ/4恒定电压测得的不同泵浦光源输入能量下的激光输出能量)比较如图9所示；调Q激光输出脉冲宽度比较如图10所示；动静比(在同种泵浦光源输入能量情况下，调Q激光输出能量减去漏光输出能量与静态激光器输出能量之比)比较如图11所示；调Q激光输出功率比较如图12所示。

比较上述L＝26mm，a＝7.5mm双电极晶体与L＝26mm，a＝2.75mm，b＝2mm，带辅助电极的晶体，在相同V_λ/2及V_λ/4电压下，得出如下结论：带辅助电极的晶体电光开光性能明显好于双电极晶体，其中消光比均匀性提高34％(X＝3mm)，漏光减少47％，调Q脉宽压缩了23％，动静比增加了7.3％，调Q激光输出功率增加了34.9％。

Claims (1)

1.一种改善DKDP(磷酸二氘钾)晶体普克尔盒性能的方法，其特征是：在电光晶体的两端除了分别设有一个环状主电极以外，再分别增设一个环状辅助电极，使晶体的每一端均带有一个主电极和一个辅助电极，辅助电极在主电极与电光晶体端面之间，从左到右依次是第一端面、第一辅助电极、第一主电极、第二主电极、第二辅助电极、第二端面，并且第一辅助电极和第一主电极隔开，第二辅助电极和第二主电极隔开，第一辅助电极和第一主电极之间、第二辅助电极和第二主电极之间以及第一辅助电极和第二辅助电极之间均设有分压电阻，这样当第一主电极和第二主电极之间加上电压V时，通过分压电阻实现在第一主电极与第一辅助电极之间以及第二主电极与第二辅助电极之间加上一个辅助电压，利用环状电极的电压特性，第一辅助电极和第二辅助电极产生的电压会弥补双电极晶体端面电压的不均性。

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