CN110401096A - 一种高效率声光调q器件 - Google Patents

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贺坤
林磊
方向一
赵艳芳
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    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/11—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on acousto-optical elements, e.g. using variable diffraction by sound or like mechanical waves
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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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Abstract

本发明公开了一种高效率声光调Q器件，其包括依序设置的射频源、换能器和声光晶体，所述的射频源与换能器电连接，所述的换能器与声光晶体固定，当入射光射入第一声光晶体时，由声光晶体将输入的入射光衍射形成一级衍射光和零级透射光并输出，本发明提出的声光调Q器件，具有不同于常规声光调Q器件的换能器键合结构，在保证相同的调Q效应的同时，明显降低了所需施加的射频功率，大大提高了器件的可靠性。

Description

一种高效率声光调Q器件
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其是一种高效率声光调Q器件。
背景技术
固体激光器中一般使用声光调Q器件用来调Q，以产生高能量的脉冲激光输出。由于激光能量较高，声光调Q器件一般采用石英晶体或者熔石英来作为声光介质。
相比于声光调制器常用的二氧化碲晶体来说，石英晶体和熔石英的声光系数均小了很多，因此，利用石英晶体制作而成的声光调Q器件为了达到相同的声光衍射效率，所需要施加的射频功率就要高很多，约在10倍左右。因此这也就对在石英晶体或者熔石英上键合作为换能器的晶体的工艺提出了更高的要求。
射频功率越高，换能器处的热效应就会越严重，即使在改善晶体散热的情况下，换能器处的温度还是会明显升高，由于换能器的晶体类型和声光晶体不同，例如，换能器通常采用铌酸锂晶体，声波纵模情形下采用36度Y切，剪切声波模式一般采用X切，声光晶体采用石英晶体，由于铌酸锂晶体和石英晶体热膨胀系数差别较大，随着换能器升高，很容易导致铌酸锂晶体开裂，使得声光调Q器件性能下降甚至损坏以至于报废。
发明内容
针对现有技术的情况，本发明的目的在于提供一种能够保证调Q效应的同时，明显降低了所需施加射频功率且大大提高器件可靠性的高效率声光调Q器件。
为了实现上述的技术目的，本发明采用的技术方案为：
一种高效率声光调Q器件，其包括依序设置的射频源、换能器和声光晶体，所述的射频源与换能器电连接，所述的换能器与声光晶体固定，当入射光射入第一声光晶体时，由声光晶体将输入的入射光衍射形成一级衍射光和零级透射光并输出。
进一步，所述的声光晶体为石英材质成型。
优选的，所述声光晶体远离换能器设置侧的表面为斜面结构。
优选的，所述的换能器为铌酸锂晶体。
优选的，所述换能器与声光晶体之间镀设有一层金属膜层作为键合层。
优选的，所述换能器与声光晶体的键合方法为：利用夹具对换能器与声光晶体进行夹持，使换能器的键合面与声光晶体的键合面紧密接触，然后将其置于真空环境下，再将环境升温至150℃保持10h，继而再缓慢冷却至室温，即可完成换能器与声光晶体的键合固定。
进一步，所述声光晶体与换能器的键合面为微柱面结构。
进一步，所述换能器远离声光晶体的端面为微柱面结构。
采用上述的技术方案，本发明的有益效果为：本发明提出的声光调Q器件，具有不同于常规声光调Q器件的换能器键合结构，在保证相同的调Q效应的同时，明显降低了所需施加的射频功率，大大提高了器件的可靠性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明方案做进一步的阐述：
图1为本发明调Q器件的简要结构示意图；
图2为本发明调Q器件的声光晶体和换能器的其中一种实施方式示意图；
图3为本发明调Q器件的声光晶体和换能器的另一种实施方式示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括依序设置的射频源1、换能器2和声光晶体3，所述的射频源1与换能器2电连接，为了能够更好匹配控制，射频源1和换能器2之间设有匹配电路和连接线4，所述的换能器2与声光晶体3固定，当入射光射入第一声光晶体时，由声光晶体将输入的入射光衍射形成一级衍射光和零级透射光并输出，进一步，所述的声光晶体3为石英材质成型，优选的，所述声光晶体3远离换能器2设置侧的表面为斜面结构，优选的，所述的换能器2为铌酸锂晶体。
其中，换能器2与声光晶体3之间镀设有一层金属膜层作为键合层，优选的，所述换能器2与声光晶体3的键合方法为：利用夹具对换能器与声光晶体进行夹持，使换能器的键合面与声光晶体的键合面紧密接触，然后将其置于真空环境下，再将环境升温至150℃保持10h，继而再缓慢冷却至室温，即可完成换能器与声光晶体的键合固定。
对于常规的石英晶体声光器件而言，其石英晶体(即声光晶体)和铌酸锂晶体(即换能器)的键合面是水平抛光的，这样产生的超声波一般是发散的，导致与入射光束产生声光相互作用的区域超生能量密度较低，因而声光效应较弱，需要提高射频功率来提高声光相互作用区域的超声能量密度，这样就会对换能器键合工艺的可靠性有更高要求。
根据声光器件衍射效率公式
由于固体激光器腔长及光斑大小等限制因素，换能器有效长度L和有效宽度H的尺寸基本是固定的，因而通过提高声光相互作用区域的超声能量密度来提高声光衍射效率是十分有效的。本专利的发明之处就在于在不改变射频功率的情形下，使得声光互作用区域的超声能量密度明显增加。
如图2所示，作为本发明调Q器件的声光晶体和换能器的其中一种实施方式，进一步，所述声光晶体3与换能器2的键合面31为微柱面结构，另外，声光晶体的通光位置为标号5所示位置，通过将声光晶体3的键合面抛光成凸起的微柱面，作为换能器的铌酸锂晶体键合面抛光成凹下去的微柱面，两个晶体的微柱面弧度是相同的。
作为声光晶体(即石英晶体)和换能器(即铌酸锂晶体)的键合方式，在石英晶体和铌酸锂晶体的柱面键合面均镀一层相同的金属膜层作为键合层，例如锡，设置专门的夹具使铌酸锂晶体键合面与石英晶体微柱面键合面紧密接触，置于高真空环境下，缓慢升温至150℃附近保持10小时左右，然后再缓慢降温至室温，通过高温下的分子间作用力使得石英晶体和铌酸锂晶体紧密键合在一起。由于键合时铌酸锂的厚度可以控制在较厚的3mm左右，因而即使升到150℃的高温铌酸锂晶体和石英晶体也不易开裂。完成键合后再将铌酸锂厚度减薄至需要的厚度，比如对于工作超声频率为40.68MHz调Q器件，需要把铌酸锂晶体减薄至90um左右。在换能器表面镀金作为顶电极，将石英晶体键合面对应的另一个面切成斜角或者粘接一层吸收超声的胶层以用于消除返回超声对换能器的影响。
将完成键合的石英晶体和铌酸锂晶体装配件装配在机械件内，通过匹配电路完成阻抗匹配，通过射频源在换能器上施加一定的射频功率，由于换能器的键合面是弧形的，超声波会明显发生聚焦现象，这样，在聚焦点处，超生能量密度明显提高，根据衍射效率公式，本发明的声光器件会具有更高的效率。对于常规声光调Q器件，射频功率如果需要20W才能正常工作起到调Q作用，本发明的声光器件只需要10W左右就能达到同样的调Q效果。由于需要的射频功率明显降低，换能器的发热会明显减小，声光器件的可靠性明显增加。
如图3所示，作为本发明调Q器件的声光晶体和换能器的另一种实施方式，所述换能器2远离声光晶体3的端面21为微柱面结构，声光晶体3与换能器2的键合面31为平面结构，其中，换能器2作用于声光晶体3形成的超声场位置如标号32所示。
以上所述仅为本发明的举例说明，对于本领域的技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种高效率声光调Q器件，其特征在于：其包括依序设置的射频源、换能器和声光晶体，所述的射频源与换能器电连接，所述的换能器与声光晶体固定，当入射光射入第一声光晶体时，由声光晶体将输入的入射光衍射形成一级衍射光和零级透射光并输出。
2.根据权利要求1所述的一种高效率声光调Q器件，其特征在于：所述的声光晶体为石英材质成型。
3.根据权利要求2所述的一种高效率声光调Q器件，其特征在于：所述声光晶体远离换能器设置侧的表面为斜面结构。
4.根据权利要求2所述的一种高效率声光调Q器件，其特征在于：所述的换能器为铌酸锂晶体。
5.根据权利要求4所述的一种高效率声光调Q器件，其特征在于：所述换能器与声光晶体之间镀设有一层金属膜层作为键合层。
6.根据权利要求4所述的一种高效率声光调Q器件，其特征在于：所述换能器与声光晶体的键合方法为：利用夹具对换能器与声光晶体进行夹持，使换能器的键合面与声光晶体的键合面紧密接触，然后将其置于真空环境下，再将环境升温至150℃保持10h，继而再缓慢冷却至室温，即可完成换能器与声光晶体的键合固定。
7.根据权利要求1所述的一种高效率声光调Q器件，其特征在于：所述声光晶体与换能器的键合面为微柱面结构。
8.根据权利要求1所述的一种高效率声光调Q器件，其特征在于：所述换能器远离声光晶体的端面为微柱面结构。
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