CN108521070B

CN108521070B - 一种基于四方相钽铌酸钾晶体的低电压驱动电光调q开关

Info

Publication number: CN108521070B
Application number: CN201810310925.4A
Authority: CN
Inventors: 王旭平; 马玲; 刘冰; 邱程程; 王继扬
Original assignee: New Material Institute of Shandong Academy of Sciences
Current assignee: Shandong Shanke Zhijing Photoelectric Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2018-04-09
Filing date: 2018-04-09
Publication date: 2019-09-20
Anticipated expiration: 2038-04-09
Also published as: CN108521070A

Abstract

一种基于四方相钽铌酸钾（KTa_1‑xNb_xO₃；0.4<x<0.7，简称KTN）晶体的电光调Q开关，属于激光器件领域，其核心由偏振片、钽铌酸钾晶体、四分之一波片组成；所述钽铌酸钾（KTN）晶体的Nb组分处于0.4‑0.7之间，属于四方相结构；KTN晶体开关沿晶体光轴Z向通光，沿晶体X/Y方向施加驱动电压，电压为150‑200V之间，重复频率在1‑1000Hz；本发明制作的KTN电光激光器具有驱动电压低、通用性好、适用波段宽的特点，并具有结构紧凑、成本低、稳定性好等优点，适于实用化和商品化。

Description

一种基于四方相钽铌酸钾晶体的低电压驱动电光调Q开关

技术领域

本发明涉及一种基于四方相钽铌酸钾晶体的低电压驱动电光调Q开关器件，属于激光器件领域。

背景技术

大脉冲、高重频、高低温适用激光器在医疗、科技和测量方面有广泛应用，特别是近年来在国防和国家安全领域如激光测距、激光拒止和红外对抗等方面都有十分迫切的需求。电光调Q 是直接产生大能量脉冲激光的实用技术。电光调Q开关中应用最为广泛的是电光晶体。其中最常用的电光晶体有磷酸二氘钾（简称：DKDP）、铌酸锂（简称：LN）、偏硼酸钡（简称：β-BBO）、磷酸钛氧铷（简称：RTP）4种，它们满足了电光调Q的基本需求，但具有一定局限性，其中DKDP晶体在重水溶液中生长，易潮解，不适于野外应用； LN光损伤阈值低，不适于在高功率激光下应用；β-BBO采用助熔剂方法生长，生长周期长且难获得大尺寸优质晶体，成品低，价格高；RTP晶体结构对称性低，需成对使用对晶体的双折射进行补偿，器件结构复杂、成本高、温度适用范围小。除上述特有晶体的局限外，现有电光开关的驱动电压都在1kV以上，对其使用过程中的安全性、电路设计等均要求苛刻。

钽铌酸钾（KTa_1-xNb_xO₃；0.4<x<0.7，简称：KTN）晶体是铌酸钾（KNbO₃，KN）和钽酸钾（KTaO₃，KT）的固熔体混晶，在室温下，KTN晶体随组分不同既可以以顺电相（立方相），又可以以铁电相（四方相或正交相）存在。可通过调节晶体的组分来调节晶体的对称性和物理性质。KTN晶体Nb组分含量在0.4-0.7之间，处于四方相，具有大的线性电光系数（γ₅₁=7850±1550 pm/V），通过器件设计，可获得施加较低电场强度的情况下使相位发生改变，从而可以满足电光调Q的要求。但传统思维表明四方晶系4mm点群的此类电光效应无实用价值：四方晶系4mm点群的线性电光晶体，施加电场后晶体相位差(T)大小与电光系数（γ₅₁）和电场强度（E）的乘积的平方成正比（晶体长度及折射率为常数），通过分析线性电光系数一般在几十Pm/V，即便电场强度E很大对相位差影响也会很小。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种基于四方相钽铌酸钾（简称：KTN）晶体的低电压驱动的电光调Q开关。KTN晶体Nb组分含量在0.4-0.7之间，利用其显著的线性电光效应进行元件和实验设计，提供一种在三百伏低电压驱动KTN晶体的可用电光调Q开关。

本发明的技术方案如下：

一种基于四方相钽铌酸钾（简称：KTN）晶体的低电压驱动电光调Q开关，其核心是一块KTN晶体，Nb组分在0.4<x<0.7，晶体以提拉法生长。其组成包括：沿激光光路依次放置的偏振片、钽铌酸钾（KTN）晶体和四分之一波片，其中四分之一波片的光轴与通过四方相钽铌酸钾（KTN）晶体器件后激光的偏振方向成45度角。

根据本发明优选的，该电光调Q开关中，所述四方相钽铌酸钾（KTN）晶体器件的通光面为边平行于钽铌酸钾晶体的X和Y轴的正方形或长方形，边长为1-10 mm，优选的为3-6mm。

根据本发明优选的，该电光调Q开关中，所述四方相钽铌酸钾（KTN）晶体器件的通光方向为沿着钽铌酸钾晶体的光学主轴Z方向，钽铌酸钾晶体器件的通光方向的长度为3-60 mm，优选的通光方向长度为6-30 mm。

根据本发明优选的，该电光调Q开关中，所述四方相钽铌酸钾（KTN）晶体器件垂直于通光方向的面是表面光学抛光，且镀以对激光透过率大于99%的膜或者不镀膜；垂直于光学主轴Z方向的XZ或YZ面镀以金属膜层作为电极，优选的是金膜和钛膜。

本发明的四方相KTN电光调Q开关的应用，可通过金属膜加有重复频率的电场，调节KTN的折射率，获得电光调制脉冲激光输出，重复频率为1-1000Hz之间。

本发明的四方相KTN电光调Q开关中，偏振片是产生偏振和检测的器件，当偏振片可通过的偏振方向与激光的偏振方向相同时，可以使激光无损耗的通过，反之，则激光无法通过；KTN电光晶体通过外加电场实现电光调制双折射偏振光相位差；外加电场通过两端的电极在KTN晶体内部产生电场，使其晶体内部X和Y方向的相对折射率发生变化，使其激光在寻常光和非寻常光的相对相位产生的相位差，此时，激光通过四分之一波片使其相对相位变为π，当通过输出镜之后部分反射回来的激光双次通过电光调Q晶体和四分之一波片，产生相位差为2π，可使激光无损耗的振荡；当不加外部电场时，只有四分之一波片对激光相对相位进行调制，反射回的激光无法通过偏振片，引起损耗，使激光振荡停止；因此可通过外部电场对腔内损耗进行调节，即可产生脉冲激光。

原理说明：

当光线（此处指激光）通过四方相KTN电光晶体时，通过施加外加电场调制晶体折射中光之间的相对相位的过程。由于折射两束光的偏振方向是垂直的，任何偏振方式的光均可分解为这两类光的叠加形式；故可以旋转偏振片方向，保证激光入射面的偏振方向与出射面的偏振方向满足电光调Q要求，最终实现电光调Q过程。

本发明电光调Q开关在应用时，具有以下优势：

1.结构紧凑。基于本发明四方相钽铌酸钾（简称：KTN）低电压驱动电光调Q开关，KTN晶体具有大的线性电光系数（γ₅₁=7850±1550 pm/V），即使较小的晶体纵横比，所施加的电场强度也不会很大，所以所需电光晶体尺寸较小。

2.设计简单。基于本发明四方相钽铌酸钾（简称：KTN）低电压驱动电光调Q开关，仅使用了偏振片、KTN晶体和四分之一波片，且激光腔使用较短的直腔设计，使设计更为简单。

3.成本低，便于产业化。基于本发明四方相钽铌酸钾（简称：KTN）低电压驱动电光调Q开关， KTN电光晶体生长工艺成熟，便于产业化。

4.结构稳定。基于本发明四方相钽铌酸钾（简称：KTN）低电压驱动电光调Q开关，所用元件较少，使其结构更为稳定，适合野外复杂环境使用。

5.安全性高。基于本发明四方相钽铌酸钾（简称：KTN）低电压驱动电光调Q开关，所施加在电光晶体上的四分之一波电压为150-200 V，如果调大晶体纵横比，施加电压将会更低（低于100 V），远低于其他电光器件电压值（kV），操作的安全性更高。

附图说明

图1 为本发明的四方相钽铌酸钾（简称：KTN）电光调Q开关示意图。

图2. 为半导体（LD）端面泵浦、基于四方相钽铌酸钾（简称：KTN）低电压驱动电光调Q开关示意图。

图3. 为氙灯侧面泵浦、基于四方相钽铌酸钾（简称：KTN）低电压驱动电光调Q开关示意图。

图面说明如下1为偏振片、2为表面镀以的金属膜的KTN晶体器件、3为四分之一波片、4为表面镀以金属层电极、5为激光增益介质、6为输入镜、7为输出镜、8为激光耦合系统、9为光纤、10为泵浦源，V表示所加的外部电场。

具体实施方式

为便于理解本发明的构造及各部分的性能，下面将列举实例进行详细说明，但不限于此。

实施例1：一种基于四方相钽铌酸钾低电压驱动电光调Q开关一种电光开关，结构如图1所示，1为偏振片、2为表面镀以的金属膜的KTN晶体器件、3为四分之一波片以及KTN晶体表面的金属层电极4。偏振片1是产生偏振和检测的器件，四分之一波片3的光轴与通过钽铌酸钾（KTN）晶体器件后激光的偏振方向成45度角，四分之一波片是所用激光波长产生寻常光与非寻常光相位差为π/2。所述表面镀以的金属膜的KTN晶体器件2的通光面为边平行于钽铌酸钾（KTN）晶体的X和Y轴的正方形，边长为3 mm，垂直于通光方向的面表面光学抛光且镀以对1.06μm激光波长透过率大于99%的膜；垂直于光学主轴Z方向的XZ或YZ面镀以金属层4作为电极，金属层为金膜；通光方向为沿着钽铌酸钾（KTN）晶体的Z轴，长度为3 mm。

实施例2：与实施例1所述，所不同的是表面镀以的金属膜的KTN晶体器件2的通光面为边平行于钽铌酸钾（KTN）晶体的X和Y轴的正方形，边长为3 mm，通光方向为沿着钽铌酸钾（KTN）晶体的Z轴，长度为6 mm。

实施例3：与实施例1所述，所不同的是表面镀以的金属膜的KTN晶体器件2的通光面为边平行于钽铌酸钾（KTN）晶体的X和Y轴的正方形，边长为3 mm，通光方向为沿着钽铌酸钾（KTN）晶体的Z轴，长度为9 mm。

实施例4：与实施例1所述，所不同的是表面镀以的金属膜的KTN晶体器件2的通光面为边平行于钽铌酸钾（KTN）晶体的X和Y轴的正方形，边长为3 mm，通光方向为沿着钽铌酸钾（KTN）晶体的Z轴，长度为12 mm。

实施例5：与实施例1所述，所不同的是表面镀以的金属膜的KTN晶体器件2的通光面为边平行于钽铌酸钾（KTN）晶体的X和Y轴的长方形，施加电场的场距为3 mm，长为5 mm，通光方向为沿着钽铌酸钾（KTN）晶体的Z轴，长度为15 mm。

上述实施例1-5中的表面镀以的金属膜的KTN晶体器件2，适用于以下实施例6到11。

实施例6：半导体（简称：LD）端面泵浦、基于四方相钽铌酸钾（简称：KTN）低电压驱动电光调Q开关，结构如图2所示，一种电光调Q激光器，设置有输入镜6、增益介质5、偏振片1、KTN电光调Q开关2、四分之一波片3、金属层电极4、输出镜7、激光耦合系统8、光纤9，泵源10是LD。波长为808 nm的LD充当泵源，经过光纤9传输进入激光耦合系统8进行光束耦合，并聚焦在激光增益介质5的表面，激光增益介质5为钕掺杂的钒酸钇晶体（Nd:YVO₄）晶体，用于产生1.064 μm波长的激光。输入镜6镀1.064 μm波段激光的全反膜，输出镜7,曲率半径为100 mm，镀1.064μm波段激光透过率为5%的介质膜。加大LD的泵浦功率，调节KTN电光调Q开关的重复频率为1Hz，可获得输出为1Hz的脉冲激光。

实施例7：与实施例6所述，所不同而是输出镜的曲率半径为200mm、透过率为10%，同时KTN电光调Q开关的重复频率为10Hz，加大泵浦功率，可获得重复频率为10Hz的激光。

实施例8：与实施例6所述，所不同而是输出镜的曲率半径为500mm、透过率为20%，同时KTN电光调Q开关的重复频率为1Hz，加大泵浦功率，可获得重复频率为1Hz的激光。

实施例9：为氙灯侧面泵浦、基于四方相钽铌酸钾（简称：KTN）低电压驱动电光调Q开关，结构如图3所示，该装置包括输入镜6、增益介质5、偏振片1、KTN电光调Q开关2、四分之一波片3、金属层电极4、输出镜7以及氙灯光源10。激光增益介质5为钕掺杂钇铝石榴石晶体（Nd:YAG）用于产生1.06 μm的激光，输入镜6镀1.06 μm波段激光的全反膜，输出镜7,曲率为300 mm，镀1.06μm波段激光透过率为50%的介质膜，同时KTN电光调Q开关的重复频率为1Hz，加大泵浦功率，可获得重复频率为1Hz的激光。

实施例10：与实施例9所述，所不同而是输出镜的曲率半径为500mm、透过率为30%，同时KTN电光调Q开关的重复频率为10Hz，加大泵浦功率，可获得重复频率为10Hz的激光。

实施例11：与实施例9所述，所不同而是输出镜的曲率半径为1000mm、透过率为20%，同时KTN电光调Q开关的重复频率为100Hz，加大泵浦功率，可获得重复频率为100Hz的激光。

Claims

1.一种基于四方相钽铌酸钾晶体的低电压驱动电光调Q开关，其特征在于：所述钽铌酸钾即KTa_1-xNb_xO₃晶体为四方相4mm点群，其中0.4<x<0.7；其组成包括：沿激光光路依次放置的偏振片、四方相钽铌酸钾晶体和四分之一波片；其突出特性为：施加在晶体上的四分之一波电压为150-200V之间，重复频率为1-1000Hz。

2.根据权利要求1所述的电光调Q开关，其特征在于：通过四方相钽铌酸钾晶体器件前激光的偏振方向与晶体X/Y方向成45度角。

3.根据权利要求2所述的电光调Q开关，其特征在于：所述四方相钽铌酸钾晶体器件的通光面为边平行于钽铌酸钾晶体的X和Y轴的正方形或长方形，边长为1-12mm。

4.根据权利要求3所述的电光调Q开关，其特征在于：所述四方相钽铌酸钾晶体器件的通光方向为沿着钽铌酸钾晶体的光学主轴Z方向，钽铌酸钾晶体器件的通光方向的长度为6-30mm。

5.根据权利要求4所述的电光调Q开关，其特征在于：所述四方相钽铌酸钾晶体器件垂直于通光方向的面是表面光学抛光，且镀以对激光透过率大于99％的膜或者不镀膜；垂直于光学主轴Z方向的XZ或YZ面镀以金属膜层作为电极。

6.根据权利要求5所述的电光调Q开关，其特征在于：所述的四分之一波片可根据激光的波长进行选择，可对所用激光波长产生寻常光与非寻常光相位差为π/2。

7.根据权利要求6所述的电光调Q开关，其特征在于：所述的边长是3-6mm，所述的金属膜为金膜或钛膜。