CN112327519A

CN112327519A - 一种基于dkdp晶体的低电压高重复频率电光开关

Info

Publication number: CN112327519A
Application number: CN202011388881.0A
Authority: CN
Inventors: 吴季; 刘红梅; 郭杭涛; 王城强; 陈伟; 张星; 陈秋华
Original assignee: Fujian Castech Crystals Inc
Current assignee: Fujian Castech Crystals Inc
Priority date: 2020-12-02
Filing date: 2020-12-02
Publication date: 2021-02-05

Abstract

一种低电压高重复频率电光开关，包括主体结构，两个尺寸相同的45°z‑cut的DKDP晶体密封在主体结构中，两个DKDP晶体在Z轴相互垂直放置以补偿自然双折射，并在z轴方向施加极性相反的驱动电压，通光方向与晶体z轴垂直并分别与x轴或y轴成45°。在DKDP晶体和电极之间具有缓冲介质以缓解振铃效应。所述DKDP晶体为多块DKDP晶体串联的结构。本发明通过两个晶体z轴垂直放置来补偿DKDP晶体的自然双折射，从而降低晶体的驱动电压，同时降低了电光开关的温度敏感性，通过串联的方式来增加晶体的长度，进一步降低开关所需要的工作电压，电光开关的窗片和DKDP晶体的通光表面都镀有增透膜，透过率可达95%。

Description

一种基于DKDP晶体的低电压高重复频率电光开关

技术领域

本发明涉及一种激光器件领域，尤其是涉及一种基于DKDP晶体的低电压高重复频率的电光开关。

背景技术

电光开关是一种基于晶体普克尔斯效应制成的电光调制器，通过在晶体电极上施加电压来改变输出光的偏振态。

根据晶体电压加压方向的不同，普克尔效应又分为横向普克尔效应和纵向普克尔效应，横向普克尔效应的加压方向与通光方向垂直，纵向普克尔效应的加压方向与通光方向平行。

KDP类晶体是最早最众所周知的电光晶体材料，有很高的光学均匀性，消光比可达1000:1以上。市面上一般DKDP晶体都用其纵向电光效应做电光开关，此种情况下晶体的工作电压恒定，一般都在kV级以上。另外，由于DKDP晶体自身存在较严重的压电振铃效应，常规DKDP晶体的电光开关重复频率一般kHz以下，无法在较高重复频率下使用。

因此，如何能够应用DKDP晶体作为电光开关，且降低电光开关的驱动电压，提高该电光开关的驱动频率，成为现有技术亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于DKDP晶体的低电压高重频电光开关。利用DKDP晶体的横向电光效应，可以通过改变晶体截面与长度的比值来控制所需要的工作电压，降至百伏级，采用密闭式结构，透过率可以达到95%，重复频率可达100kHz。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种低电压高重复频率电光开关，其特征在于：

包括主体结构，在主体结构的两端分别具有端盖，所述端盖与所述主体结构通过螺纹连接，并且具有垫圈进行密封，所有元件均通过垫圈及螺纹锁紧密封在结构内，以防止晶体潮解。

在主体结构中放置有两个尺寸相同的45°z-cut的DKDP晶体，两个所述DKDP晶体具有电极以施加极性相反的驱动电压，两个所述DKDP晶体的Z轴相互垂直放置以补偿自然双折射，通光方向与晶体z轴垂直并分别与x轴或y轴成45°。

可选的，所述电极是在两个所述DKDP晶体的z轴方向上施加极性相反的驱动电压。

可选的，在所述DKDP晶体和所述电极之间具有缓冲介质，所述缓冲介质为质软的导电材料。

可选的，所述导电材料为导电橡胶或铟膜。

可选的，在主体结构的端盖处具有窗片，用于进行所述电光开关的通光，通过螺纹将所述端盖、窗片和垫圈与主体结构锁紧，以防止晶体的潮解。

可选的，所述DKDP晶体与窗片表面都镀有增透膜以减少插入损耗，使得电光开关的整体透过率在95%以上。

可选的，z轴方向相同的所述DKDP晶体为多块DKDP晶体串联的结构，从而降低开关所需要的工作电压，对于多块串联后的z轴方向相同的DKDP晶体，与垂直方向不同另外的多块串联后的DKDP晶体整体光程差相同。

可选的，在所述电光开关的两侧分别具有起偏器和检偏器，所述起偏器和检偏器的偏振方向互相垂直，光线垂直晶体z轴入射且入射光线的偏振方向与晶体z轴成45°夹角。

可选的，所述开关的通光方向与晶体z轴垂直，与晶体的x轴或y轴成45°。

综上，本发明具有如下的优点：

1、采用成对尺寸相同的45°z-cut的DKDP晶体，通过两个晶体z轴垂直放置来补偿DKDP晶体的自然双折射，从而降低DKDP晶体的驱动电压，同时降低了电光开关的温度敏感性。

2、可以通过串联的方式来增加单个方向的DKDP晶体的长度，即z轴方向相同的所述DKDP晶体可以为多块串联的结构，从而进一步降低开关所需要的工作电压。

3、所有元件均通过垫圈及螺纹锁紧密封在主体结构内，防止晶体潮解。电极与晶体间带有缓冲介质，减小晶体的振铃效应，重复频率可达100kHz。

4、电光开关的窗片和DKDP晶体的通光表面都镀有增透膜，透过率可达95%。

附图说明

图1为本发明的低电压高重复频率电光开关结构示意图；

图2为根据本发明具体实施例的低电压高重复频率电光开关的原理示意图；

图3为根据本发明另一个具体实施例的低电压高重复频率电光开关的原理示意图；

图4为根据本发明具体实施例的低电压高重复频率的电光开关晶体与电极接触方式示意图。

图中的附图标记所分别指代的技术特征为：

101、端盖；102、螺纹；103、窗片；104、垫圈；105、电极；106、缓冲介质；107、DKDP晶体；108、主体结构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

DKDP晶体也能够用作横向电光效应，此时可改变晶体长度来调节所需工作电压，且与同为横向应用的电光晶体BBO相比，DKDP晶体有较大的电光系数γ63（约为23.6pm/V）。但当DKDP晶体用于横向电光效应的应用时，要求沿着晶体z轴方向加压，通光方向与晶体z轴垂直并与x轴或y轴成45°，入射光偏振方向与晶体z轴成45°。若设DKDP晶体在通光方向的长度为l，DKDP晶体上加压方向的厚度为d，向DKDP晶体加任意电压V，此时如果只用一块DKDP晶体，由于光束并非沿着光轴入射，在DKDP晶体内部传输时就会产生自然双折射效应，两个偏振分量出射晶体后，由于感应折射率不同而产生的相位差Г为：

即引入了自然双折射产生的相位差。且由于

和

对温度的变化率不同，因而由此引起的相位延迟对温度也很敏感，这对调制工作来说是非常不利的。

因此，本发明采用了两片尺寸相同的DKDP晶体，两晶体通光方向一致，其中第二块晶体绕着通光方向旋转90°与第一块晶体串接，然后再在晶体z方向上加上极性相反的电压，此时通过两块晶体后产生的相位差之和Г为：

此时的相位差与工作电压成比例，可用于调制。

因此，参见图1，示出了根据本发明的低电压高重复频率电光开关结构示意图，

包括主体结构108，在主体结构108的两端分别具有端盖101，所述端盖101与所述主体结构108通过螺纹102连接，并且具有垫圈104进行密封，所有元件均通过垫圈及螺纹锁紧密封在结构内，以防止晶体潮解。

在主体结构108中放置有两个尺寸相同的45°z-cut的DKDP晶体107，两个所述DKDP晶体107沿着晶体z轴方向具有电极105以施加极性相反的驱动电压，两个所述DKDP晶体的Z轴相互垂直放置以补偿自然双折射，通光方向与晶体z轴垂直并分别与x轴或y轴成45°，入射光偏振方向与晶体z轴成45°。

本发明与常规纵向DKDP晶体电光开关相比，其特点是操作电压低，在同样通光口径同样入射波长的情况下，通过改变晶体长度可能实现十倍量级的降低：根据DKDP晶体的横向电光效应原理可知，晶体的半波电压计算公式为：

，其中d为晶体加压方向的厚度，l为晶体通光方向的长度。而根据晶体的纵向电光效应原理可知，晶体的半波电压计算公式为：

。如选取波长为1064nm，此时DKDP晶体的折射率

为1.49315，

等于23.6pm/V，当选d为3mm，l为40mm，此时纵向应用的DKDP晶体，其理论半波电压约为6800V，而本发明中利用DKDP晶体横向电光效应制成的电光开关的理论半波电压约为500V，大大地降低了工作电压。应当注意，在本发明中，所述DKDP晶体107必须成对使用，两晶体尺寸相同且垂直放置，保证消除晶体的自然双折射。

进一步的，参见图4，在所述晶体107与所述电极105之间具有缓冲介质106，所述缓冲介质106为质软的导电材料，例如导电橡胶或铟膜等，在晶体与电极之间加入缓冲介质106，可以利用缓冲介质的阻尼效应来吸收和衰减电光开关在使用过程中出现的振铃效应。基于横向电光效应以及缓冲材料的使用，能够将电光开关的重复频率提高至100kHz。

进一步的，利用DKDP晶体的横向电光效应，可以通过改变晶体截面与长度的比值来控制所需要的工作电压，降至百伏级。

进一步的，在主体结构108的端盖101处具有窗片103，用于进行所述电光开关的通光，通过螺纹将所述端盖、窗片和垫圈与主体结构锁紧，以防止晶体的潮解。。所述DKDP晶体107与窗片103表面都镀有增透膜以减少插入损耗，使得电光开关的整体透过率在95%以上。

实施例1：

如图1所示，电光开关的主体结构108，两端的端盖101和主体结构108通过螺纹102和垫圈104密闭连接；端盖上具有窗片103，窗片表面镀有增透膜， DKDP晶体107的通光面也镀有增透膜，减小插入损耗，使得电光开关的整体透过率在95%以上。

如图2所示，采用尺寸相同的两片DKDP晶体，两晶体通光方向一致，其中第二块晶体绕着通光方向旋转90°与第一块晶体串接，然后再在两块晶体z方向上分别施加极性相反的电压，光线（即通光方向）垂直于晶体z轴入射，与晶体的x轴或y轴成45°，入射光线的偏振方向与晶体z轴成45°夹角。在用作调制器时，开关前后分别设有起偏器和检偏器，两偏振方向互相垂直。当开关上未加压时，光线按原偏振方向正常通过，无法经过检偏器，光路关断；当在开关上加上其半波电压时，光线经过开关后偏振方向旋转90°，光路打开。

实施例2：

根据晶体的横向电光效应原理可知，晶体的半波电压计算公式为：

其中d为晶体加压方向的厚度，l为晶体通光方向的长度。

在波长及晶体加压尺寸确定的情况下，可以通过串联的方式来增加晶体的长度，即z轴方向相同的所述DKDP晶体可以为多块z轴方向相同DKDP晶体串联的结构，从而降低开关所需要的工作电压。

例如，Z轴为水平方向的DKDP晶体原来是一块，现在也可以由多块Z轴为水平方向的DKDP晶体串联而成，而Z轴为垂直方向的DKDP晶体也可以由多块Z轴为垂直方向的DKDP晶体串联而成，晶体的数量不做限制，只需要使得，Z轴水平放置的多块串联后的DKDP晶体的总光程长度，最终等于Z轴竖直放置的多块串联后DKDP晶体的光程长就可以了，从而消除自然双折射。

但在工程实践中为了避免，通光孔径、电压等其他因素的干扰，所述不同方向的串联的多块DKDP晶体，物理尺寸是相同的，只是表示可以通过用串联的方式来降低半波电压。

如图3所示。如选取波长为405nm，此时DKDP晶体的折射率

为1.51765，

等于23.6pm/V，当选d为3mm，l为25mm，此时理论半波电压约为300V，而当d不变，再串联一根长度为25mm的晶体时，此时l为50mm，理论半波电压为150V。

综上，本发明具有如下的优点：

2、可以通过串联的方式来增加晶体的长度，即z轴方向相同的所述DKDP晶体可以为多块串联，从而进一步降低开关所需要的工作电压。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。

Claims

1.一种低电压高重复频率电光开关，其特征在于：

包括主体结构，在主体结构的两端分别具有端盖，所述端盖与所述主体结构通过螺纹连接，并且具有垫圈进行密封，所有元件均通过垫圈及螺纹锁紧密封在结构内，以防止晶体潮解；

2.根据权利要求1所述的低电压高重复频率电光开关，其特征在于：

所述电极是在两个所述DKDP晶体的z轴方向上施加极性相反的驱动电压。

3.根据权利要求2所述的低电压高重复频率电光开关，其特征在于：

在所述DKDP晶体和所述电极之间具有缓冲介质，所述缓冲介质为质软的导电材料。

4.根据权利要求3所述的低电压高重复频率电光开关，其特征在于：

所述导电材料为导电橡胶或铟膜。

5.根据权利要求2所述的低电压高重复频率电光开关，其特征在于：

在主体结构的端盖处具有窗片，用于进行所述电光开关的通光，通过螺纹将所述端盖、窗片和垫圈与主体结构锁紧，以防止晶体的潮解。

6.根据权利要求5所述的低电压高重复频率电光开关，其特征在于：

所述DKDP晶体与窗片表面都镀有增透膜以减少插入损耗，使得电光开关的整体透过率在95%以上。

7.根据权利要求2所述的低电压高重复频率电光开关，其特征在于：

z轴方向相同的所述DKDP晶体为多块DKDP晶体串联的结构，从而降低开关所需要的工作电压，对于多块串联后的z轴方向相同的DKDP晶体，与垂直方向不同另外的多块串联后的DKDP晶体整体光程差相同。

8.根据权利要求2-6中任意一项所述的低电压高重复频率电光开关，其特征在于：

在所述电光开关的两侧分别具有起偏器和检偏器，所述起偏器和检偏器的偏振方向互相垂直，光线垂直晶体z轴入射且入射光线的偏振方向与晶体z轴成45°夹角。

9.根据权利要求8所述的低电压高重复频率电光开关，其特征在于：

所述开关的通光方向与晶体z轴垂直，与晶体的x轴或y轴成45°。