CN102169244A - 一种低电压驱动的电光开关 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低电压驱动的电光开关，所述的电光开关包括第一光学透明材料、第二光学透明材料和电光晶体，在第一光学透明材料表面设置反射率为R的第一反射膜层，在第二光学透明材料表面设置反射率为R的第二反射膜层。本发明的电光开关具有结构简单、驱动电压低的优点，可以用作激光器的调Q开关，也可作为光强调制器件，应用于激光通信、激光测距等领域。

Description

一种低电压驱动的电光开关

技术领域

本发明涉及一种能够在较低电压驱动下工作的电光开关，属于控制光通量的光学器件，可以应用于激光调Q、光通讯等领域。

背景技术

电光开关具有开关时间短、重复频率高、同步性能好、工作稳定等诸多优点，是目前应用最为广泛的一类光开关器件。电光开关的基本物理原理是利用材料的电光效应对光束进行调制。若电场方向平行于光传播方向，称为纵向电光调制；若电场方向垂直于光传播方向，称为横向电光调制。以LiNbO₃晶体的横向电光调制为例，将LiNbO₃晶体置于两正交偏振片之间，晶体x和y方向均与偏振片的偏振方向成45˚，光沿着z方向（光轴方向）传播。若外加电场为E（0，E _y，0），则晶体的折射率椭球变为：

（1）

通过旋转主轴消除交叉项yz，得到新坐标系下的折射率椭球方程为：

（2）

其中，新坐标系下的主折射率为：

（3）

由于光是沿着z方向传播的，它在x’和y’方向偏振分量的折射率分别为n _x’和n _y’，两个偏振分量之间的相位延迟为：

（4）

其中，λ为激光波长，L为通光方向上的晶体长度，d为加电方向上的晶体厚度，V为外加电压。在（4）式中令，得到半波电压：

（5）

若取d＝9 mm，L＝25 mm，n _o＝2.3，γ ₂₂＝3.4×10^-12 m/V，λ＝532 nm，计算得出V _π＝2.3 kV。可以看出，这种采用正交偏振片结构的电光开关具有一些难以克服的缺点，比如电光晶体的半波电压较高，通常使用的LiNbO₃、KDP的半波电压为2000~8000 V，这不仅会对周边的其他电子元器件造成干扰，对操作人员的人身安全也产生威胁，同时对电源和激光器的工作环境也提出了较为苛刻的要求。如果要降低加在电光晶体上的驱动电压，就要增加电光晶体的尺寸，但这又使激光器谐振腔的插入损耗变大，况且大尺寸的晶体也不易生长。另外，在外加强电场的作用下，晶体内部会产生机械应力，使晶体的折射率发生变化，即所谓的弹光效应。加在晶体上的电压越高，晶体内的应力越大，弹光效应就越明显。当晶体上的高压瞬时退除时，形变不会立即消除，导致晶体的电光调制存在一个渐变过程，使激光器的损耗衰减时间大于巨脉冲的建立时间，造成调Q开关输出性能的下降。以上因素都制约了电光开关重复频率的提高，从而在一定程度上限制了其应用范围。

发明内容

为了克服以往电光开关半波电压过高的缺点，本发明提供了一种低电压驱动的电光开关，能够在较低的驱动电压下工作，同时开关的响应速度也明显提高。

本发明的低电压驱动的电光开关，包括第一光学透明材料、第二光学透明材料和电光晶体，在第一光学透明材料表面设置反射率为R的第一反射膜层，在第二光学透明材料表面设置反射率为R的第二反射膜层。

本发明的低电压驱动的电光开关中的电光晶体为具有横向电光调制性能的长方体单轴晶体，电光晶体光轴方向为z方向，电光晶体沿z方向的几何尺寸L大于沿y方向的几何尺寸d，电光晶体上与光轴平行的两个xz平面镀有电极，电光晶体上与光轴垂直的两个xy平面设置入射光束波长的减反膜。

本发明的低电压驱动的电光开关，利用了法布里-珀罗标准具的透过率对光程差变化极其敏感的特性，将电光晶体放在法布里-珀罗腔内，通过调节晶体的电压，利用晶体的电光效应改变法布里-珀罗腔内的有效折射率，进而改变光束之间的光程差，引起入射光束透过率的变化，最终实现对透射光强的控制。

本发明的低电压驱动的电光开关与使用正交偏振片的电光开关相比，可以在不改变晶体几何尺寸的前提下，大幅降低电光晶体的驱动电压，从而减小对驱动电源输出能力的要求，易于实现高重复频率的运转，同时可以提高开关的响应速度。本发明的低电压驱动的电光开关具有结构简单、驱动电压低的优点，可以用作激光器的调Q开关，在实现调Q的同时起到选频和压缩脉宽的作用，还可以用作光强调制器件，将连续激光调制成重频脉冲激光，应用于激光通信、激光测距等领域。

附图说明

图1是本发明的低电压驱动的电光开光结构示意图。

图2是本发明的低电压驱动的电光开关实验光路图。

图3是激光透过正交偏振片电光开关后的光强变化测试图。

图4是激光透过本发明的低电压驱动的电光开关后的光强变化测试图。

图中，1.第一光学透明材料 2.第二光学透明材料 3.电光晶体 4.第一反射膜层 5.第二反射膜层 y₁.第一电极面 y₂.第二电极面 z₁.电光晶体光束输入面 z₂.电光晶体光束输出面 L.晶体长度 d.电极间距 V.电极两端所加的电压 a.光束输出面与第二反射膜层间的距离 2₁.激光器 2₂、光电探测器 2₃、示波器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述：

本发明的低电压驱动的电光开关包括第一光学透明材料、第二光学透明材料和电光晶体。在第一光学透明材料表面设置反射率为R的第一反射膜层，在第二光学透明材料表面设置反射率为R的第二反射膜层，由第一反射膜层和第二反射膜层形成法布里-珀罗腔。电光晶体是具有横向电光调制性能的单轴晶体，如采用铌酸锂、钽酸锂等，其形状是长方体，电光晶体光轴方向为z方向，电光晶体沿z方向的几何尺寸为L，沿y方向的几何尺寸为d，且L>d。电光晶体上与光轴平行的两个xz平面镀有电极，分别称为第一电极面和第二电极面。电光晶体上与光轴垂直的两个xy平面设置入射光束波长的减反膜，分别称为光束输入面和光束输出面。

当电光晶体的几何尺寸、反射膜层的反射率R、入射光束的波长λ确定后，法布里－珀罗腔的透过率就可由晶体的有效折射率n来控制，而电光晶体的有效折射率n的改变则由第一电极面和第二电极面间的电场来调节。使用时，光束应正入射到法布里－珀罗腔的第一透明光学材料上，依次经过第一透明光学材料、第一反射膜层、电光晶体、第二反射膜层和第二透明光学材料后出射，光束的偏振方向沿着y方向。调节电光晶体光束输出面与第二反射膜层之间的距离a，使透射光强达到最大，此时给电光晶体施加一定电压，使透射光强降到最小，然后以该电压值为最大幅值给晶体施加退压式脉冲信号，就可以实现从“关”到“开”的变化，即对入射光完成一次开关动作。

对于图1所示的电光开关结构，第一光学透明材料1和第二光学透明材料2选用K9玻璃，第一反射膜层4和第二反射膜层5对532 nm波长的反射率为99%；电光晶体3选取铌酸锂晶体，电光晶体3的z轴与通光方向平行，外加电压V沿y轴方向，电光晶体3沿z方向的长度L为25 mm，沿y方向的电极间距d为9 mm；第一电极面y₁和第二电极面y₂上镀有金电极。

按图2所示的光路进行实验，激光器2₁发出的532 nm激光正入射到法布里－珀罗腔的第一透明光学材料1上，依次经过第一透明光学材料1、第一反射膜层4、电光晶体光束输入面z₁、电光晶体3、电光晶体光束输出面z₂、第二反射膜层5和第二透明光学材料2后出射，被光电探测器2₂接收，并转换为电信号输出给示波器2₃。

图3是激光透过正交偏振片电光开关后的光强变化测试图。图中在重复频率为100 Hz时，激光透过采用传统的正交偏振片的电光开关后的光强变化，加在电光晶体上的半波电压为2.1 kV。

图4是激光透过本发明的低电压驱动的电光开关后的光强变化测试图。图中在重复频率为100 Hz时，激光透过本发明的低电压驱动的电光开关后的光强变化，加在电光晶体上的驱动电压为580 V。可以看出，在使用同一电光晶体的情况下，本发明的低电压驱动的电光开关的驱动电压要远低于使用正交偏振片结构的电光开关的半波电压。

另外，将两种电光开关产生的光脉冲进行比较，图3中正交偏振片电光开关的光脉冲上升沿为174 μs；而图4中本发明的低电压驱动的电光开关的光脉冲上升沿为56 μs，比前者缩短了近70%。由此可见，本发明的低电压驱动的电光开关的响应时间要比正交偏振片电光开关的明显缩短，这对于制作响应速度更快的开关器件是十分有利的，应用于激光器调Q时还有利于压缩脉宽。

Claims (2)

1.一种低电压驱动的电光开关，其特征在于：所述的电光开关包括第一光学透明材料(1)、第二光学透明材料(2)和电光晶体(3)，在第一光学透明材料(1)表面设置反射率为R的第一反射膜层(4)，在第二光学透明材料(2)表面设置反射率为R的第二反射膜层(5)。

2.根据权利要求1所述的一种低电压驱动的电光开关，其特征在于：所述的电光晶体(3)为具有横向电光调制性能的长方体单轴晶体，电光晶体(3)光轴方向为z方向，电光晶体(3)沿z方向的几何尺寸L大于沿y方向的几何尺寸d，电光晶体(3)上与光轴平行的两个xz平面镀有电极，电光晶体(3)上与光轴垂直的两个xy平面设置入射光束波长的减反膜。

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