CN112236719A - 用于激光辐射调制的方法和装置 - Google Patents

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康斯坦丁·鲍里索维奇·尤什科夫
娜塔莉亚·费奥多罗芙娜·瑙缅科
亚历山大·伊里奇·奇日科夫
瓦西里·维克托罗维奇·古罗夫
阿纳托利·阿列克谢耶维奇·帕夫柳克
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Abstract

本发明涉及声光技术和激光技术，尤其涉及声光(AO)激光谐振器Q开关(Q‑switch)，用于单模(准直)和多模(非准直)的单色和非单色激光辐射的腔外控制的AO装置，即，用于可见光波长至中红外波长(0.4–5.5μm)的AO调制器、AO移频器和色散延迟线。本发明的目的是提供激光谐振器Q开关中的声光(AO)相互作用的几何结构，从而根据取决于激光器的预期用途的激光器工作模式的系统要求，优化Q开关的预设参数，更具体地讲，提供较低的控制RF功率和不会因多模或非准直激光辐射而造成额外的效率损失的操作能力。

Description

用于激光辐射调制的方法和装置
技术领域
本发明涉及声光技术和激光技术，尤其涉及声光(AO)激光谐振器Q开关(Q-switch)，用于单模(准直)和多模(非准直)的单色和非单色激光辐射的腔外控制的AO装置，即，用于可见光波长至中红外波长(0.4–5.5μm)的AO调制器、AO移频器和色散延迟线。
在具有高的声学各向异性和光弹各向异性的晶体中的光波和超声波的声光(AO)相互作用被认为是用于发展声光Q开关最有前途的工具之一。
声光Q开关或AO激光腔倒空器被广泛应用于激光谐振器中的损耗调制，旨在产生高能激光脉冲。当声光Q开关(腔倒空器)打开时，其产生的谐振器损耗的水平于高于每通过一次的增益，因而激光不会产生。损耗水平由Q开关效率决定，该Q开关效率在给定激发能级下推论应高于每通过一次的增益。高级固态脉冲1μm波长范围激光器的典型所需衍射效率(Q开关引入的损耗)是75％。当声光Q开关关闭时，对应于由通过Q开关中的激光束孔的声波前端通过时间确定的时间的谐振器损耗减小到静态水平，因此，在激光器中产生了巨大的脉冲。
声光开关的工作原理如下，声波被使用已经方法中的一种而被附着在晶体或无定形透明介质的声学表面的压电换能器激发，声波在透明介质中传播并产生介质材料的局部机械形变区域。由于光弹性效应，机械应力产生介电渗透率的局部不均匀性，从而产生介质的折射率的局部的不均匀性。在介质中产生不同折射率的周期层，这些层以声速移动。通过具有周期性空间结构折射率的介质传播的光产生衍射。通常，声光Q开关在布拉格衍射区起作用。如果衍射光谱由两个最大值组成，即直接透射的零阶最大值和在双倍的布拉格角偏转的一阶最大值，则发生布拉格衍射。-1阶和高阶衍射的最大值具有可忽略的低强度。当光以相对于声波波前的布拉格角入射时，第一最大值(即所谓的布拉格最大值)的强度最大。
用于Q开关的最广泛使用的材料是熔融硅石，较少使用石英晶体。这些材料具有高的激光诱导损伤阈值，但声光(AO)品质因数(效率)低。
背景技术
由现有技术(2003年5月13日公布的US6563844B1)已知典型的用于1.06μm波长的石英声光Q开关在30W的高频(HF)控制功率下的典型Nd：YAG激光谐振器中会产生75％的参考损耗水平。标准的技术方案是采用水冷却或利用激光腔倒空器的珀尔帖(Peltier)元件进行热电冷却。Q开关的操作实践表明，在高频功率不超过50-60w时强制冷却是有效的，而在更高功率时Q开关过热是不可避免的。
近年来已经研制出使用Q开关或具有Q开关的泵浦激光器的新的高功率中红外激光器(2–5.5μm)。例如，以Q开关模式操作的基于Er3+离子活化晶体(3μm波长)或Нo3+离子活化晶体(2μm波长)的脉冲激光器、掺杂二价过渡金属离子Cr2+和Fe2+的3-5μm半导体激光器。这些激光器广泛应用于光谱学、远程探测、医学等领域。这些激光器的谐振器Q开关由机械快门、多面镜、全内反射快门等提供。石英声光Q开关不用于中红外激光(2-5.5μm)，因为声光Q开关的效率(损耗水平)与波长的平方近似线性地成反比，因此，对于Er3+:YAG激光器(2.94μm)而言，使用典型的石英Q开关实现标准的75％的损耗水平理论上需要270W的高频功率，这实际上是难以实现的。
已知所有的晶体具有声学性能(K.N.Baranskii,“晶体的物理声学”(PhysicalAcoustics of Crystals),Moscow,MSU,1991)和光弹性性能(J.F.Nye,“晶体的物理特性：通过张量和矩阵的表征”(Physical Properties of Crystals:Their Representation byTensors and Matrices))的各向异性。
声学特性的各向异性表现为，在一般情况下，三个弹性波能够在单晶中以不同的速度和偏振在任意方向上传播，且每个波的波矢量K与能流矢量S的方向是不同的。如果波矢量K与能流矢量S的角度为ψ，这一波矢量K方向上的波群速度Vg与同一方向上的相速度Vp的关系为Vg＝Vp/сosψ.因此在各向异性的介质中波群速度不会小于该波的相速度。在特定情况下，晶体中可能存在波矢量K与能流矢量S的方向一致的方向，则ψ＝0且波群速度与相速度相等，这些方向是晶体对称轴，即相速度Vp的最大值和最小值。
光弹性性能的各向异性表现为，声光相互作用的有效光弹性常数取决于在晶体中光波和声波的传播方向和偏振。因此，对于给定的激光束传播方向，声波的传播方向决定声光品质因数M2。
稀土钨酸钾晶体KRE(WO4)2，其中稀土元素RE＝Y,Yb,Gd和Lu，是一种新的但尚未得到充分地研究的光子器件材料。KRE(WO4)2族晶体具有2/m的单斜对称性。它们的激光稳定性比副黄碲矿(paratellurite)声光材料高几倍。KRE(WO4)2族晶体具有两个光轴，对应于介电渗透率张量的最小特征值的其中一个折射率椭球对称轴Np与[010]晶轴重合，对应于介电渗透率张量的最大特征值的另外两个折射率椭球对称轴Nm和Ng位于[010]晶面并形成笛卡尔坐标系。初期研究了KRE(WO4)2的一些弹性性能和光弹性性能(M.M.Mazur，D.Yu.Velikovskiy，L.I.Mazur，A.A.Pavluk，V.E.Pozhar,和V.I.Pustovoit，“激光晶体稀土钨酸钾KRE(WO4)2的弹性和光弹性特性，其中RE＝Y，Yb，Gd和Lu”，《超声学》54(2014)1311–1317)。从该工作中获得的数据表明，KRE(WO4)2族晶体在某些切割方向上的声光品质因数可能比熔融硅石的声光品质因数高几倍，因此这些晶体非常有希望应用于中红外波长AO装置。KRE(WO4)2族晶体具有高的弹性各向异性、光弹性各向异性和光学特性各向异性。
本文要求保护的方法的最接近的对应物(原型)是在波矢量和能流矢量(指向Umov的矢量)的方向一致的条件下通过声波进行激光辐射调制的方法。该方法在R.V.约翰逊《声光调制器的设计》的第三章“声光器件的设计和制造”中被描述(A.P.Goutzoulis andD.R.Pape Eds.,纽约:Marcel Dekker,1994.)。对于这种方法，晶体中声学柱的宽度等于压电换能器的宽度。这种调制方法能够应用于各向同性的材料，例如玻璃和熔融硅石，也能够应用于声波沿着对称轴传播的单晶，例如晶体石英、副黄碲矿和钼酸铅。所述原型的缺点是在压电换能器处的电场和声场的高功率密度。声光Q开关通常由HF 20-40 W供电，并在强制外部冷却下运行。高功率密度会导致声光Q开关压电换能器中强烈的局部放热。由于压电板和AO晶体材料的热膨胀系数的差异和各向异性，压电板强烈的局部放热可能会破坏压电板或与其相连的AO晶体棱镜。
本文要求保护的装置的最接近的对应物(原型)是俄罗斯专利2476916С1(2011年11月30日公布)所述的声光Q开关。该Q开关基于KRE(WO4)2族晶体，并在非共线衍射区以准纵向声波工作，超声传播方向平行于折射率椭球对称轴Ng。所述原型的缺点是相对较低的声光品质因数M2，因此具有较高的控制HF功率。所述原型的另一个缺点是当该设备用于多模或非准直激光器操作时衍射效率低。阻碍该原型实现所需的技术效果的原因是，Q开关使用准纵向(QL)声波并在相应的声光相互作用几何形状下进行操作。
发明内容
本发明的第一个目的的技术效果是有目的地利用了与晶体的声学各向异性有关的特性，更具体地讲，是通过使声束沿着不同于晶体对称轴方向或声波速度的局部极值方向的晶向传播来增加压电换能器的面积。晶体中声学柱的宽度始终小于压电换能器的宽度，从而声光相互作用的效率更高；这允许增加压电换能器的面积，从而减小压电换能器处的HF电功率密度，从而提供较低强度的放热。
另外，如果声波的波矢量K和能流矢量S的方向不同，声光Q开关的运行速度会变快，因为它取决于声脉冲波前穿过激光束所需的时间。在所考虑的情况下，该所需时间减小，因为声学各向异性使该所需时间取决于波群速度Vg，而不是相速度Vp，即取决于两个值中较大的一个。
本发明的第一个目的的技术效果通过如下方案来实现。
激光辐射调制方法，包括在KRE(WO4)2族单晶中激发具有正交于Np轴的偏振性并在晶体的NmNg平面中传播的振辐调制的行进的准剪切声波，其中，激光束具有所述晶体中本征波的偏振性，并相对于声波波前以0.15～8度的布拉格角传播，声光(AO)晶体中的声波频率满足激光束衍射的相位匹配条件。
本发明的第二个目的的技术效果是有目的地限定激光谐振器Q开关的声光(AO)相互作用的几何结构以实现低控制HF功率和不会因多模或非准直激光辐射而造成额外的效率损失的操作能力。
本发明的第二个目的的技术效果通过如下方案来实现。
声光Q开关，包括由KRE(WO4)2族单晶制成的声光(AO)棱镜，其声学表面与晶体的Np轴平行并且与晶体的Nm轴成0至-40度的角度，与所述声学表面成任意角度的相反表面，附着于所述相反表面的吸声器，具有抗反射涂层的输入光学表面，具有抗反射涂层的输出光学表面，以及由厚度为15至200μm的铌酸锂板制成的连接到所述声学表面的剪切压电换能器。
此外，所述KRE(WO4)2族单晶为钨酸钾钆KGd(WO4)2晶体、或钨酸钾钇KY(WO4)2晶体、或钨酸钾镥KLu(WO4)2晶体、或钨酸钾镱KYb(WO4)2晶体。
在特定的实施方式中，所述压电换能器使用胶粘剂附着、或使用直接介电结合、或使用形成二元合金的冷真空扩散结合、或使用相似合金的原子扩散结合而附着到所述声光棱镜上。
附图说明
采用附图对本发明进行说明。
图1.准剪切(QS)声波在钨酸钾钇的NmNg平面内传播的各向同性的声光(AO)衍射的非共线几何结构的声光(AO)品质因数的极坐标投影。
图2.准纵向声波和准剪切声波在钨酸钾钇的NmNg平面内传播的各向同性的声光(AO)衍射的声光(AO)品质因数。
图3.在声光(AO)Q开关中衍射的向量图。
图4.在钨酸钾钇的NmNg平面内超声波的相速度和偏转角。
图5.声光(AO)棱镜相对于晶体对称轴的取向。
图6.声光(AO)Q开关的设计。
图7.试验性的KY(WO4)2晶体声光(AO)Q开关的照片。
图5和图6中的标记如下：(1)钨酸钾钇的声光(AO)棱镜，(2)晶体的声学表面，(3)与声学表面相对的晶体表面，(4)晶体的输入光学表面，(5)晶体的输出光学表面，(6)剪切压电换能器，(7)吸声器，(8)输入激光束，(9)输入光束偏振矢量，(10)晶体中的准剪切弹性波。
本发明的第一目的的技术效果是由于在不同于晶体对称轴方向的方向上具有大的声学各向异性的单晶中产生了振幅调制的行进的声波而实现的。结果是声波的相速度和波群速度不同，并且声束横截面变得小于压电换能器的面积，因此，声光(AO)Q开关的操作速度变快。激光束在晶体中具有本征波的偏振性并且以布拉格角传播，并且声波频率满足相位匹配条件。
上述单晶属于KRE(WO4)2族，声波为准剪切波并在晶体的NmNg平面内传播并具有与晶体的Np轴正交的偏振性，具有平行于所述晶体的Ng轴的偏振性的激光束的传播方向相对于声波波前成0.15～8度的布拉格角。
本发明的第二目的的技术效果是由于Q开关是通过沿晶体对称轴传播的准剪切声波来操作的而实现的。在这里，Nm和Ng形成与晶体介电轴相关的笛卡尔坐标系。二阶对称轴Np定向为垂直于附图的绘制平面。附图中的实线示出了准剪切声波的晶体声光(AO)品质因数M2，对应于晶体中光波的两个适当偏振方向(实线：沿Nm的偏振，虚线：沿Ng的偏振)。KRE(WO4)2族晶体的弹性常数、光弹性常数和光学常数很接近。在下文中对钨酸钇KY(WO4)2进行计算。
从图1和图2可以看出，如果光沿Ng轴偏振，准剪切声波传播角度相对于Nm轴成-12度时晶体声光(AO)品质因数M2高达22×10-15s/kg。仅比经典定向的适于快速纵向波的副黄碲矿的声光(AO)Q开关的声光(AO)品质因数M2小35％，副黄碲矿在工业声光(AO)Q开关中已被使用了50多年。在0至28度范围内，声光(AO)品质因数大于15×10-15s/kg，即比熔融硅石的最大声光(AO)品质因数高10倍以上。现有原型的沿Ng轴的准纵向超声波的声光(AO)品质因数M2在10×10-15s/kg之内。因此，本发明消除了现有原型的第一缺陷，即较高的控制HF功率。
图3示意性地示出了根据本发明的声光(AO)相互作用的几何结构的等轴测投影视图。为了说明的目的，放大显示了双折射和布拉格角。虚线显示了对应于NmNg平面和NpNg平面的光波法向面以及平行于Np轴且与Nm轴成-12度角的衍射面的部分。
本发明的一个特定的基本特征是，由铌酸锂晶体制成的压电换能器板通过采用独特的形成二元合金的真空纳米技术(俄罗斯专利2646517C105.03.2018)而附着在由KRE(WO4)2晶体制成的声光(AO)棱镜的声学表面上。与其他附着技术相比，该技术降低了将HF电力功率转为声能的转换损耗。
阻碍具有多模激光辐射的声光(AO)Q开关的操作的现有原型的另一个缺点是采用发散辐射操作会导致声光(AO)Q开关的衍射效率降低，该发散辐射的发散度相当于或超过由压电换能器产生的声波的衍射发散度。
这种现象的物理成因是，在这种情况下，光波角度谱的高频成分不符合声波角度谱的布拉格相位匹配条件，因此这些高频成分对衍射的参与(如果有的话)很小。均质的压电换能器产生的声波衍射发散度可用公式v/Lf来描述，其中v是声波的速度，L是压电换能器的长度，f是频率。
现在我们考虑图4。本发明的技术效果是由于与在-12度处达到的最大声光(AO)品质因数M2相对应的准剪切声波的速度等于2.4×103m/s。现有原型准纵向声波在-90度处的速度是4.8×103m/s。因此，在其他条件相同的情况下，本发明的声波角度谱比现有原型的声波角度谱宽两倍。因此，在其他条件相同的情况下，本文提供的声光(AO)Q开关与现有原型不同，可以在多模或非准直的激光辐射的效率不受负面影响的情况下工作，该多模或非准直的激光辐射的发散度比准直辐射的发散度大2倍。
晶体的声学各向异性尤其是表现为在钨酸钾钇晶体的NmNg晶面内传播的具有与Np轴正交的偏振性的准剪切声波的波群速度S的方向和波矢量K的方向之间的角的绝对值可能超过30度，如图4所示，特别地，在相对于Nm轴的-12度方向上，沿平行于Ng轴的方向偏振的光波的声光(AO)品质因数M2最大，而在该方向上的角度ψ约为-23度。
KRE(WO4)2族晶体具有高的激光诱导损伤阈值和足够高的声光(AO)效应，这使其成为用于可见光波长和中红外波长的声光Q开关、色散延迟线和AO移频器的最有前途的材料。例如，对于1064nm下20ns的脉冲KGd(WO4)2晶体的最小激光损伤阈值是50GW/cm2(I.V.Mochalov，钨酸钾钆激光晶体KGd(WO4)2:Nd3+即(KGW:Nd)的激光及非线性特性，光学工程36(1997)1660-1669)。KRE(WO4)2族材料具有高的光学各向异性和声学各向异性，这些各向异性主要取决于相对于晶轴的晶体取向。
具体实施方式
本发明按如下所述进行实施，声光Q开关包括由KRE(WO4)2族单晶制成的声光(AO)棱镜1，声光(AO)棱镜1具有与声光(AO)棱镜1的晶体的Np轴平行的声学表面2，该声学表面2的法线方向相对于Nm轴形成0-30度的角，还包括相反表面3，与Np轴正交的输入光学表面4，与Np轴正交的输出光学表面5，附着于所述光学表面2的压电换能器6，和附着于所述相反表面3的吸声器7。由厚度为15-200μm的铌酸锂板制成的所述压电换能器6在所述声光(AO)棱镜1中激发准剪切声波10；所述吸声器7附着于声光(AO)棱镜1的表面3上，该表面3与所述声学表面2成任意角度，从而，在所述声光(AO)棱镜1中提供行进的声波。输入激光束8具有与所述晶体的Ng轴平行的偏振9，并在由晶体的Np轴和所述声光(AO)棱镜1的声学表面2的法线形成的衍射平面内以相对于法线成0.5-1.5度的布拉格角传播。
为了降低控制HF功率，可以使用独特形成二元合金的真空技术将所述压电换能器附着在所述声光(AO)棱镜1的所述声学表面3上。所述压电换能器可选地也可以通过使用胶粘剂附着、或使用相似金属的原子扩散结合(T.Shimatsu and M.Uomoto,具有薄的纳米晶体金属薄膜的晶片的原子扩散结合，J.Vac.Sci.Technol.B 28(2010)706–704)、或使用直接结合(K.Eda,K.Onishi,H.Sato,Y.Taguchi,and M.Tomita,“压电材料的直接结合及其应用”,Proc.2000IEEE超声波论坛(Ultrasonics Symposium)(2000)299-309)而附着于声光(AO)棱镜1的所述声学表面3上，前提是能够提供所结合的表面间的声学接触。
所述吸声器7可在含有过量铟的二元合金的基础上使用独特的真空技术制作，用于有效吸收行进的剪切声波。
通过实验对本发明进行了测试。我们用钨酸钾钇晶体制作了一个实验性的声光(AO)Q开关，并对其采用水平偏振的输入激光辐射操作，该测试证实了我们的计算数据。图7显示了所制造的实验性声光(AO)Q开关的照片。声光(AO)Q开关的有效孔径为2.0mm，压电换能器长度为14.0mm，超声波的工作频率为100MHz。测量在532nm下进行。当控制功率为15W时，最大衍射效率为96％。如果在1064nm波长下重新计算，则声光(AO)Q开关的主要参数如下：当控制功率2.0W时，效率超过95％，其中压电换能器长度为40毫米。

Claims (4)

1.激光辐射调制方法，包括在KRE(WO4)2族单晶中激发具有正交于Np轴的偏振性并在晶体的NmNg平面中传播的振辐调制的行进的准剪切声波，其中，激光束具有所述晶体中本征波的偏振性，并相对于声波波前以0.15～8度的布拉格角传播，声光棱镜中的声波频率满足激光束衍射的相位匹配条件。
2.声光Q开关，包括由KRE(WO4)2族单晶制成的声光棱镜，其声学表面与晶体的Np轴平行并且与晶体的Nm轴成0至-40度的角度，与所述声学表面成任意角度的相反表面，附着于所述相反表面的吸声器，具有抗反射涂层的输入光学表面，具有抗反射涂层的输出光学表面，以及由厚度为15至200μm的铌酸锂板制成的连接到所述声学表面的剪切压电换能器。
3.根据权利要求2所述的声光Q开关，其中，所述KRE(WO4)2族单晶为钨酸钾钆KGd(WO4)2晶体、或钨酸钾钇KY(WO4)2晶体、或钨酸钾镥KLu(WO4)2晶体、或钨酸钾镱KYb(WO4)2晶体。
4.根据权利要求2所述的声光Q开关，其中，所述压电换能器使用胶粘剂附着、或使用直接介电结合、或使用形成二元合金的真空扩散结合、或使用相似合金的原子扩散结合而附着到所述声光棱镜上。
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