CN109361147A - 一种基于三方晶系的横向电光调q开关及其降低驱动电压的方法和应用 - Google Patents

一种基于三方晶系的横向电光调q开关及其降低驱动电压的方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于三方晶系的横向电光调Q开关及其降低驱动电压的方法和应用，包括沿光路依次设置的偏振片和电光晶体器件，电光晶体器件是一块电光晶体，该电光晶体属于三方晶系；光通过电光晶体前的偏振方向与电光晶体X/Y方向的夹角为45°。本发明的电光调Q开关的驱动电压较低，较传统的电光调Q开关的四分之一波驱动电压降低了15％‑60％，满足低电压驱动的电光器件的重要需求。本发明的电光调Q开关的设计更加简洁，没有使用四分之一波片，腔结构更简化，体积更小，有利于小型化生产，简化了激光器的设计和体积，具有易产业化等优势。

Description

一种基于三方晶系的横向电光调Q开关及其降低驱动电压的 方法和应用
技术领域
本发明涉及一种基于三方晶系的横向电光调Q开关及其降低驱动电压的方法和应用，属于激光器件技术领域。
背景技术
高重频、窄脉宽激光器在医疗、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、激光精细加工、激光通信和红外对抗等方面都有十分迫切的需求。电光调Q是直接产生高重频、窄脉宽激光的实用技术。电光调Q开关中的关键是电光晶体。三方晶系的晶体包括铌酸锂(LiNbO3，简称：LN)、偏硼酸钡(β-BaB2O4，简称：β-BBO)和硅酸镓镧(La3Ga5SiO14，简称：LGS)等，是目前应用广泛的电光晶体，可以满足电光调Q的基本需求，但这类电光开关所需的四分之一波驱动电压(Vπ/2)与所调制的激光波长(λ)成正比，与电光系数(γ)成反比其中n0是电光晶体在工作激光波长的折射率，l为施加在电光晶体上电场的场距，d为电光晶体的通光长度。LN的电光系数较大为6.8pm/V，激光波长在近红外波段，其驱动电压为3.6kV(波长为1微米，电光晶体纵横比为1:1)，激光波长在中远红外波段，驱动电压会相应的升高(波长为2微米、纵横比为1:1时，电压为7.4kV)；对于电光系数较小的LGS(2.3pm/V)和BBO(2.2pm/V)电光晶体，其驱动电压会更高(在2微米波段，调节纵横比为1:1，LGS的驱动电压为32.5kV，BBO的为49kV)，高的驱动电压会导致压电振铃效应从而出现多脉冲现象、影响脉冲激光的性质，而且对其使用过程中的安全性、电路设计等均要求苛刻。为了降低这类电光调Q开关的驱动电压，传统电光调Q开关设计是利用电光晶体的横向电光效应，通过增加电光晶体的纵横比l/d，以达到降低电压的目的。但这样的设计要增加电光晶体通光长度，需要高质量大尺寸的电光晶体，对电光晶体的生长技术提出了更高的要求，增加了电光开关乃至激光器的成本。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于三方晶系的横向电光调Q开关；
本发明还提供了上述横向电光调Q开关降低驱动电压的方法，以及上述横向电光调Q开关的应用；
本发明旨在提供一种三方晶系、低驱动电压的横向电光调Q开关，改变传统电光调Q开关以四分之一波电压作为驱动电压的设计，即使电光晶体的纵横比不大、电光系数较小，也能降低电光调Q开关的驱动电压，使其最大效率的利用所施加的电压。本发明还提出通过调控驱动电压改变光的偏振，以平衡腔内损耗和增益，驱动电压可根据需要的泵浦功率和重复频率进行选择，从而实现减少了所需的电压以及产生压电振铃效应的可能。这种能降低驱动电压的电光调Q开关的设计可以更加简化激光器结构，所需电光晶体尺寸更小，操作更加安全，更利于产品的规模化生产及产品的小型化。
术语解释：
1、电光晶体、电光效应：电光晶体是具有电光效应的晶体。电光效应是晶体折射率随外加电场发生改变的现象，其中折射率变化随外加电场成正比的被称为线性电光效应或普克尔(Pockels)效应；与外加电场的二次方成正比的被称为二次电光效应或克尔(Kerr)效应；本发明只涉及线性电光效应或普克尔(Pockels)效应。一般而言，在电场的作用下晶体折射率的改变并不太大，但是这足以引起光在晶体介质内部的传播发生改变，从而可以通过电场来达到控制或调制光场的目的。
2、电光晶体X/Y方向，是电光晶体的物理学轴的X/Y轴方向。
3、三方晶系(trigonal system)，属中级晶族。特征对称元素为三重对称轴。
发明概述：
本发明的核心是通过调节光的偏振使激光腔内的损耗大于增益，以降低电光调Q开关的驱动电压。通过调节驱动电压改变光的偏振，使光有损耗的穿过偏振片，光的偏振方向与偏振片的可通过方向存在一定的角度(45°-90°，但不包括90°)。此时，腔内损耗增加，当损耗等于或大于增益时，达到阈值条件，激光就会停止振荡，以达到降低驱动电压的目的。这种新型电光调Q开关的驱动电压比传统电光开关的电压降低了15％-60％。
本发明的技术方案为：
一种基于三方晶系的横向电光调Q开关，包括沿光路依次设置的偏振片和电光晶体器件，所述电光晶体器件是一块电光晶体，该电光晶体属于三方晶系，光通过所述电光晶体前的偏振方向与所述电光晶体X/Y方向的夹角为45°。偏振片是针对工作激光波段且透过率高。横向电光调Q开关是指电光晶体的通光方向和电场方向相互垂直。本发明电光调Q开关适用于从可见到中红外波段(0.5-3微米)。
根据本发明优选的，所述电光晶体的材质为铌酸锂(LiNbO3，LN)、偏硼酸钡(β-BaB2O4，β-BBO)或硅酸镓镧(La3Ga5SiO14，LGS)。
根据本发明优选的，所述横向电光调Q开关适用的重复频率为1Hz-500kHz。
进一步优选的，所述横向电光调Q开关适用的重复频率为50-500kHz。
根据本发明优选的，垂直于通光方向的所述电光晶体的面进行了表面光学抛光，且镀以对激光透过率大于99％的膜或者不镀膜；垂直于光学主轴的所述电光晶体的面镀以金属膜层。作为电极。
进一步优选的，所述金属膜层为金(Au)或钛(Ti)。
根据本发明优选的，所述的电光晶体器件的尺寸可根据具体的电光晶体种类和实际需求进行选择，所述电光晶体的通光面为正方形或长方形。
一种调Q激光器，包括激励源、聚焦系统、输入镜、激光增益介质、所述横向电光调Q开关、输出镜，激光泵浦方式为侧面泵浦激光或端面泵浦激光。
根据本发明优选的，所述激励源为半导体二极管或氙灯，所述激光增益介质是能产生激光的晶体、陶瓷和光纤。
上述横向电光调Q开关降低驱动电压的方法，包括：在电光晶体上施加驱动电压，使腔内损耗增加且腔内损耗等于增益。
根据本发明优选的，腔内损耗增加且腔内损耗等于增益，如式(Ⅰ)所示：
式(Ⅰ)中，为腔内损耗，为激光增益；n0是电光晶体在激光波长的折射率，γ是电光系数，V是驱动电压，l为施加在电光晶体上电场的场距，λ是激光波长，d是电光晶体的通光长度，δ1为激光腔内自身的损耗，R0是输出镜对工作波段激光的反射率，бe是激光增益介质在工作波段的有效发射截面，K为常数，与激光阈值有关，η为量子效率，i为激光增益介质的上能级寿命，f为重复频率，ap为激光增益介质对工作波段激光的吸收系数，la为激光增益介质的长度，Pi为泵浦功率，rp为泵浦光斑半径，hvp为工作波段激光的声子能量。
上述横向电光调Q开关降低驱动电压的方法，包括：在电光晶体上施加驱动电压，驱动电压可根据相应的泵浦功率和重复频率进行计算得出。激光两次通过电光晶体后，产生相位差Γ为0到π，且该相位差与施加的驱动电压的电压值有关，即通过偏振片时，腔内损耗增加，此时的激光增益略小于腔内的损耗，激光停止振荡，最终腔内损耗等于增益，通过降低驱动电压实现电光调Q过程。
本发明的电光调Q开关中，偏振片是产生并检测偏振的器件，当腔内激光的偏振方向与偏振片可通过的偏振方向相同时，可以使激光无损耗的通过，如果方向不同，则激光会有损耗通过或无法通过；通过施加驱动电压，在电光晶体内部产生的高压电场，当通过输出镜之后反射回来的激光双次通过电光晶体，产生相位差，光的偏振就会发生改变，通过偏振片时产生损耗，当损耗大于增益时，激光停止振荡。当未施加电场时，光的偏振没有改变，返回来的光无损耗的通过偏振片，激光持续振荡。电光调Q开关的驱动电压是根据实际泵浦功率和重复频率进行选择的，相对比以四分之一波电压驱动的传统电光调Q开关降低了15％-60％。
调Q激光器中，腔镜、激光增益介质、输出镜等部件，有时需要镀以对特定激光波长高反射或高透过的介质膜，根据激光泵浦方式的不同加以选定，均可按现有技术设计，在次不再赘述。
本发明的有益效果为：
1、本发明的电光调Q开关的驱动电压较低，较传统的电光调Q开关的四分之一波驱动电压降低了15％-60％，满足低电压驱动的电光器件的重要需求。
2、本发明的电光调Q开关的设计更加简洁，没有使用四分之一波片，腔结构更简化，体积更小，有利于小型化生产，简化了激光器的设计和体积，具有易产业化等优势。
3、本发明的电光调Q开关的驱动电压是可调节的，根据实际需求的泵浦功率和激光重复频率进行选择，提高了电压的利用率。
附图说明
图1为本发明的电光调Q开关示意图；
图2基于本发明电光调Q开关的端面泵浦激光示意图；
图3基于本发明电光调Q开关的侧面泵浦激光示意图；
1、偏振片，2、电光晶体器件，3、金属膜，4、激光增益介质，5、输入镜，6、输出镜，7、聚焦系统，8、光纤，9、激励源。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步描述，但不限于此。
实施例1：一种低驱动电压的偏硼酸钡电光调Q开关
一种电光调Q开关，结构如图1所示，沿光路依次设置有偏振片1和电光晶体器件2。电光晶体器件2是一块电光晶体，该电光晶体器件2的材质为偏硼酸钡，电光晶体器件2的通光面为边长为3mm的正方形，通光面的两个边平行于电光晶体器件2的X和Y轴，通光面抛光并镀以对激光工作波长透过率大于99％的介质膜，在XZ面的镀以金属膜3，金属膜3为Ti膜,通光方向电光晶体器件2长度为20mm。
实施例2：一种低电压驱动的硅酸镓镧电光调Q开关
根据实施例1所述的一种电光调Q开关，其区别在于，电光晶体器件2的材质为硅酸镓镧；电光晶体器件2的通光面为边长为4mm的正方形，通光面的两个边平行于电光晶体器件2的X和Y轴，通光面抛光并镀以对激光工作波长透过率大于99％的介质膜，在XZ面的镀以金属膜3，金属膜3为Au膜,通光方向电光晶体器件2长度为40mm。
实施例3：一种低驱动电压的铌酸锂电光调Q开关
根据实施例1所述的一种电光调Q开关，其区别在于，电光晶体器件2的材质为铌酸锂，电光晶体器件2的通光面为边长为5mm的正方形，通光面的两个边平行于，电光晶体器件2的X和Y轴，通光面抛光并镀以对激光工作波长透过率大于99％的介质膜，在XZ面的镀以金属膜3，金属膜3为Ti膜,通光方向，电光晶体器件2长度为25mm。
实施例4：0.64μm偏硼酸钡晶体电光调Q激光器
电光调Q激光器结构如图2所示，包括激励源9、聚焦系统7、输入镜5、激光增益介质4、实施例1所述电光调Q开关、输出镜6，激励源9通过光纤8连接聚焦系统7。
以发射波长为444nm的半导体激光器作为激励源9，镨掺杂氟化钇锂晶体作为激光增益介质4，通过聚焦系统7将泵浦光聚焦于激光增益介质4中，聚焦系统7的由聚焦镜或聚焦镜组组成，其目的是使激光聚焦于激光晶体中。镨掺杂氟化钇锂晶体边长为3mm，长度为5mm，通光面进行光学抛光。输入镜5镀以对0.64μm反射率大于90％全反射的介质膜，输出镜6为镀以对0.64μm反射率为95％的介质膜。
实施例5：1.06μm硅酸镓镧晶体电光调Q激光器
电光调Q激光器，包括激励源9、聚焦系统7、输入镜5、激光增益介质4、实施例2所述电光调Q开关、输出镜6，激励源9通过光纤8连接聚焦系统7。
以发射波长为808nm的半导体二极管作为激励源9，钕掺杂钒酸钇晶体作为激光增益介质4，通过聚焦系统7将泵浦光聚焦于激光增益介质4中。聚焦系统7的由聚焦镜或聚焦镜组组成，其目的是使激光聚焦于激光晶体中。钕掺杂钒酸钇晶体边长为3mm，长度为8mm，通光面进行光学抛光。输入镜5镀以对1.06μm反射率大于90％全反射的介质膜，输出镜6为镀以对1.06μm反射率为85％的介质膜。
实施例6：2μm硅酸镓镧晶体电光调Q激光器
电光调Q激光器，包括激励源9、聚焦系统7、输入镜5、激光增益介质4、实施例2所述电光调Q开关、输出镜6，激励源9通过光纤8连接聚焦系统7。
以发射波长为795nm的半导体二极管作为激励源9，铥掺杂钇铝石榴石晶体作为激光增益介质4，通过聚焦系统7将泵浦光聚焦于激光增益介4中。聚焦系统7的由聚焦镜或聚焦镜组组成，其目的是使激光聚焦于激光晶体中。铥掺杂钇铝石榴石晶体边长为3mm，长度为4mm，通光面进行光学抛光。输入镜5镀以对2μm反射率大于90％全反射的介质膜，输出镜6为镀以对2μm反射率为80％的介质膜。
实施例7：2.8μm侧面泵浦铌酸锂电光调Q激光器
电光调Q激光器，结构如图3所示，包括激励源9、聚焦系统7、输入镜5、激光增益介质4、实施例3所述电光调Q开关、输出镜6，激励源9通过光纤8连接聚焦系统7。
发射波长为976nm的侧面泵浦作为激励源9，铒掺杂钇铝石榴石晶体作为激光增益介质4，输入镜5为镀以对2.8μm全反射的介质膜，输出镜6镀以对2.8μm透过率为30％的介质膜。
实施例8：
实施例4所述电光调Q激光器降低驱动电压的方法，包括：在电光晶体器件2上施加驱动电压，使腔内损耗增加且腔内损耗等于增益，如式(Ⅰ)所示：
式(Ⅰ)中，为腔内损耗，为激光增益；n0是电光晶体在激光波长的折射率，γ是电光系数，V是驱动电压，l为施加在电光晶体上电场的场距，λ是激光波长，d是电光晶体的通光长度，δ1为激光腔内自身的损耗，R0是输出镜6对工作波段激光的反射率，бe是激光增益介质4在工作波段的有效发射截面，K为常数，与激光阈值有关，η为量子效率，i为激光增益介质4的上能级寿命，f为重复频率，ap为激光增益介质4对工作波段激光的吸收系数，la为激光增益介质4的长度，Pi为泵浦功率，rp为泵浦光斑半径，hvp为工作波段激光的声子能量。
在电光晶体器件2上通过电极加入驱动频率50kHz的外加电场，在泵浦功率为3W时，施加驱动电压500V，可获得0.64微米电光调Q激光输出，在相同电光晶体纵横比(20：3)的条件下，比传统的偏硼酸钡电光调Q的驱动电压1.14kV降低了56％。
实施例9：
实施例5所述电光调Q激光器降低驱动电压的方法，包括：在电光晶体器件2上施加驱动电压，使腔内损耗增加且腔内损耗等于增益，如式(Ⅰ)所示：
式(Ⅰ)中，为腔内损耗，为激光增益；n0是电光晶体在激光波长的折射率，γ是电光系数，V是驱动电压，l为施加在电光晶体上电场的场距，λ是激光波长，d是电光晶体的通光长度，δ1为激光腔内自身的损耗，R0是输出镜6对工作波段激光的反射率，бe是激光增益介质4在工作波段的有效发射截面，K为常数，与激光阈值有关，η为量子效率，i为激光增益介质4的上能级寿命，f为重复频率，ap为激光增益介质4对工作波段激光的吸收系数，la为激光增益介质4的长度，Pi为泵浦功率，rp为泵浦光斑半径，hvp为工作波段激光的声子能量。
在电光晶体器件2上通过电极加入驱动频率100kHz的外加电场，在泵浦功率为15W时，施加驱动电压1kV，可获得1.06微米电光调Q激光输出，在相同电光晶体纵横比(10:1)的条件下，比传统的硅酸镓镧电光调Q的驱动电压1.8kV降低了44％。
实施例10：
实施例6所述电光调Q激光器降低驱动电压的方法，包括：在电光晶体器件2上施加驱动电压，使腔内损耗增加且腔内损耗等于增益，如式(Ⅰ)所示：
式(Ⅰ)中，为腔内损耗，为激光增益；n0是电光晶体在激光波长的折射率，γ是电光系数，V是驱动电压，l为施加在电光晶体上电场的场距，λ是激光波长，d是电光晶体的通光长度，δ1为激光腔内自身的损耗，R0是输出镜6对工作波段激光的反射率，бe是激光增益介质4在工作波段的有效发射截面，K为常数，与激光阈值有关，η为量子效率，i为激光增益介质4的上能级寿命，f为重复频率，ap为激光增益介质4对工作波段激光的吸收系数，la为激光增益介质4的长度，Pi为泵浦功率，rp为泵浦光斑半径，hvp为工作波段激光的声子能量。
在电光晶体器件2上通过电极加入驱动频率200kHz的外加电场，在泵浦功率为10W时，施加驱动电压1.5kV，可获得2微米电光调Q激光输出，在相同电光晶体纵横比(10:1)的条件下，比传统硅酸镓镧电光调Q的驱动电压3.2kV降低了53％。
实施例11：
实施例7所述电光调Q激光器降低驱动电压的方法，包括：在电光晶体器件2上施加驱动电压，使腔内损耗增加且腔内损耗等于增益，如式(Ⅰ)所示：
式(Ⅰ)中，为腔内损耗，为激光增益；n0是电光晶体在激光波长的折射率，γ是电光系数，V是驱动电压，l为施加在电光晶体上电场的场距，λ是激光波长，d是电光晶体的通光长度，δ1为激光腔内自身的损耗，R0是输出镜6对工作波段激光的反射率，бe是激光增益介质4在工作波段的有效发射截面，K为常数，与激光阈值有关，η为量子效率，i为激光增益介质4的上能级寿命，f为重复频率，ap为激光增益介质4对工作波段激光的吸收系数，la为激光增益介质4的长度，Pi为泵浦功率，rp为泵浦光斑半径，hvp为工作波段激光的声子能量。
在电光晶体器件2上通过电极加入驱动频率1kHz的外加电场，在泵浦功率为10W时，施加驱动电压1.6kV，可获得2.8微米调Q激光输出，在相同电光晶体纵横比(5:1)的条件下，比传统的铌酸锂电光调Q的驱动电压2kV降低了20％。

Claims (10)

1.一种基于三方晶系的横向电光调Q开关，其特征在于，包括沿光路依次设置的偏振片和电光晶体器件，所述电光晶体器件是一块电光晶体，该电光晶体属于三方晶系；光通过所述电光晶体前的偏振方向与所述电光晶体X/Y方向的夹角为45°。
2.根据权利要求1所述的一种基于三方晶系的横向电光调Q开关，其特征在于，所述电光晶体的材质为铌酸锂、偏硼酸钡或硅酸镓镧。
3.根据权利要求1所述的一种基于三方晶系的横向电光调Q开关，其特征在于，所述横向电光调Q开关适用的重复频率为1Hz-500kHz；
进一步优选的，所述横向电光调Q开关适用的重复频率为50-500kHz。
4.根据权利要求1所述的一种基于三方晶系的横向电光调Q开关，其特征在于，垂直于通光方向的所述电光晶体的面进行了表面光学抛光，且镀以对激光透过率大于99％的膜或者不镀膜；垂直于光学主轴的所述电光晶体的面镀以金属膜层；
进一步优选的，所述金属膜层为金或钛。
5.根据权利要求1所述的一种基于三方晶系的横向电光调Q开关，其特征在于，所述横向电光调Q开关是退压式电光调Q开关；
进一步优选的，所述电光晶体的通光面为正方形或长方形。
6.一种调Q激光器，其特征在于，包括激励源、聚焦系统、输入镜、激光增益介质、权利要求1-5任一所述横向电光调Q开关、输出镜，激光泵浦方式为侧面泵浦激光或端面泵浦激光。
7.根据权利要求6所述的一种调Q激光器，其特征在于，所述激励源为半导体二极管或氙灯，所述激光增益介质的材质为晶体、陶瓷和光纤。
8.权利要求6或7所述的调Q激光器降低驱动电压的方法，其特征在于，包括：在电光晶体上施加驱动电压，使腔内损耗增加且腔内损耗等于增益。
9.根据权利要求8所述的降低驱动电压的方法，其特征在于，腔内损耗增加且腔内损耗等于增益，如式(Ⅰ)所示：
式(Ⅰ)中，为腔内损耗，为激光增益；n0是电光晶体在激光波长的折射率，γ是电光系数，V是驱动电压，l为施加在电光晶体上电场的场距，λ是激光波长，d是电光晶体的通光长度，δ1为激光腔内自身的损耗，R0是输出镜对工作波段激光的反射率，бe是激光增益介质在工作波段的有效发射截面，K为常数，与激光阈值有关，η为量子效率，i为激光增益介质的上能级寿命，f为重复频率，ap为激光增益介质对工作波段激光的吸收系数，la为激光增益介质的长度，Pi为泵浦功率，rp为泵浦光斑半径，hvp为工作波段激光的声子能量。
10.根据权利要求8所述的降低驱动电压的方法，其特征在于，包括：在电光晶体上施加驱动电压，激光两次通过电光晶体后，产生相位差Γ为0到π，且该相位差与施加的驱动电压的电压值有关，即通过偏振片时，腔内损耗增加，此时的激光增益略小于腔内的损耗，激光停止振荡，最终腔内损耗等于增益，通过降低驱动电压实现电光调Q过程。
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