CN1166039C - 一种晶体电光q开关器件 - Google Patents

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Abstract

本发明是涉及一种晶体电光Q开关器件，属于晶体材料在光电技术领域中的应用。本发明的主要内容由La3Ga5SiO14或掺Nd离子La3Ga5SiO14或相关系列晶体材料La3Ga5-xAlxSiO14，Sr3Ga2Ge4O14，Na2CaGe6O14，Ca3Ga2Ge4O14，La3Ga5.5Nb0.5O14，La3Ga5.5Ta0.5O14制成的一般形式和带有布儒斯特角的电光Q开关，用于YAG激光器及其他激光器作调Q使用。它解决了现有技术存在的半波电压高，不可调，随温度变化大稳定性差等缺点。本发明具有半波电压低，可调，稳定性好等优点。

Description

一种晶体电光Q开关器件
(一)技术领域
本发明将涉及一种晶体电光Q开关器件，属于晶体材料在光电技术领域中的应用。
(二)背景技术
电光Q开关是激光技术领域中的一种重要的光学器件。目前使用的电光Q开关主要有两种：一种是用DKDP晶体制作而成的，另一种是用LiNbO3晶体制作而成的。用DKDP晶体制作的电光Q开关具有损伤阈值高，光学均匀性好的优点。但因其利用的是DKDP晶体的纵向电光效应，由于必需采用环形电极，所加电场不均匀，动态消光比较低，开关不够严，半波电压高，且不可调，随温度的变化比较大。因DKDP是水溶性晶体，需加防潮装置，制作工艺复杂。用LiNbO3晶体制作的电光Q开关，由于利用的是其横向电光效应，半波电压随晶体纵横比的大小可调，但LiNbO3晶体的损伤阈值低，光学均匀性比较差，在低温情况下，半波电压随温度的变化比较大。因此，这两种晶体Q开关在应用方面仍不尽人意。需要发展新的电光晶体及其Q开关器件。
硅酸镓镧(La3Ga5SiO14，langasite，简称LGS)是一种性能优良的压电晶体，1982年，前苏联著名的激光专家A.A.Kaminsky(Kaminsky A A，Sarkisov S E，[J].Reports of theUUSR Academy of Science，1982，264(1)：93)首次报道了Nd:LGS晶体的激光性能，随后，研究了Nd:LGS(Kaminsky A A，Mill B V，Khodzhabagyan G G，et al.[J].Phys Stat Sol(a)，1983，80：387。Kaminsky A A，Silvestroval I M，Sarkisov S E，et al.[J].Phys Stat Sol(a)，1983，80：607.)和Nd掺杂的Ca3Ga2Ge4O14和Sr3Ga2Ge4O14(Kaminsky A A，Belokoneva E L.MillB V，et al.[J].Phys Stat Sol(a)，1984，86：345.)等晶体的生长及其激光性质，同时测定了它们的光学、压电、弹性等各种性能参数。1984年，A.I.Andreev(Andreev A I，Doubvik M F，[J].Letters to J Theory Physics，1984，10(8)：487)首次报道了LGS单晶弹性振动具有零温度系数切型。1986年，E.G.Bronnikova(Bronnikova E G，Larionov I M，[C].ElectronicEngineering Series，“Radiodetails and Compounds”，1986，Issue 2：63.)等人用LGS单晶制作成高稳定的BAW单片滤波器和谐振器，并由S.A.Sarkissov(Ssakharov S A，larionov I M，etal.[P].Patent application 1986，No.4886181/22 of 28.11.90.)等人申请了单片LGS晶体滤波器的专利，开拓了LGS单晶的应用领域。其后，该项工作受到美国、德国、日本和韩国等研究工作者的重视，各国相继对这一系列材料进行了广泛深入的研究。目前，除俄罗斯科学家积极从事该项研究外，日本科学家对此做了大量工作。近来，一些公司也参与了研究和开发。我国科学工作者也对该晶体的研究和应用也十分关注(胡少勤[J].压电与声光，1999，21(4)：299)。到目前为止，国内外尚未有关于LGS及其同系晶体在电光器件方面的报道。
电光性能是由电场引起晶体折射率的变化。利用电光效应可制作电光快门、Q开关和电光调制器等。电光器件涉及光在晶体中的传播及光的偏振态。LGS一类(对称性为32点群)的晶体既存在电光效应，同时还存在着旋光效应。旋光效应是指光波通过介质时其偏振面发生转动的现象，其转动的角度随晶体的厚度而增加。电光效应和旋光效均涉及光的偏振态，二者相互影响，其相互作用也尚未被人们所研究。因此，迄今为止，尚未见到有关具有旋光效应，同时具有电光效应的晶体在电光器件方面的报道。
(三)发明内容
本发明的目的在于增加实用电光器件的种类。本发明所设计的电光Q开关更适合于在目前广泛应用的中等功率激光器中使用。克服了现有电光Q开关半波电压高、不可调，温度稳定性不高，光损伤伤阈值低和潮解等缺点。
本发明的主要内容在于测得LGS单晶体电光系数和光损伤阈值的基础上，利用其横向电光效应进行设计，克服了其旋光效应的干扰，制作成新型电光Q开关，具有半波电压低、可调、温度稳定性好、体积小、光损伤阈值较高和不潮解等优点。
LGS属三方晶体，32点群，具有电光旋光等多种功能效应。我们测量了LGS单晶的电光系数γ11＝-γ12＝-γ62＝2.7×10-12m/V，损伤阈值达LiNbO3晶体的6倍，可以制作电光Q开关。利用LGS的横向电光效应设计，根据 V π = λ 2 n 0 3 r 11 ( 1 / d ) 的关系(基中λ为所用激光波长，n0为LGS单晶的O光的折射率，l/d为LGS单晶通光方向长度和电场方向厚度之比，称纵横比)，可以通过改变其纵横比来调节器件的半波电压Vπ。
除了电光效应外，LGS晶体同时还具有旋光性，这给器件设计带来了困难。本发明采用沿光轴方向通光，并使光波在激光器谐振腔内来回两次通过LGS晶体，使其偏振面的旋转角度为零，消除了旋光性的影响，利用平行偏光干涉实现了调Q的目的。
本发明是由如下技术方案实现的：
这种由La3Ga5SiO14或掺Nd离子La3Ga5SiO14或相关系列晶体材料La3Ga5-xAlxSiO14，Sr3Ga2Ge4O14，Na2CaGe6O14，La3Ga5.5Nb0.5O14，La3Ga5.5Ta0.5O14制成的，当晶体材料为La3Ga5-xAlxSiO14，x取值范围：1＜x≤5，Q开关器件参数如下：晶体沿Z方向即通光方向的长度l为20mm～40.3mm，厚度d沿X方向或Y方向均可，尺寸为6.12mm，宽度w垂直于长度和厚度方向，尺寸为6.12mm，晶体通光方向的两端面抛光并镀1.064μm的增透膜。结构示意图如图1所示。
为了在高功率激光器中使用，还设计了具有布儒斯特角的LGS晶体电光Q开关。即：在器件通光方向的两端面可加工成布儒斯特角并抛光，对1.064μm激光，α＝62°，且l取值范围：20mm～40.3mm，宽度沿X方向w取值范围为6.12mm，厚度沿Y方向d的取值范围6.12mm，厚度方向加电场。结构示意图如图2所示。
用LGS晶体制作的电光Q开关，由于利用其横向电光效应，半波电压随晶体纵横比的大小可调，无需防潮装置，其损伤阈值约是LiNbO3晶体的六倍，半波电压随温度变化小，稳定性好，用LGS制作的电光Q开关兼有DKDP晶体LiNbO3晶体器件的部分优点，特别适合于在中等功率激光器上工作。
(四)附图
图1是一般LGS晶体电光Q开关结构示意图。图中1.晶体长度；2.晶体厚度。
图2是带布儒斯特角LGS晶体电光Q开关结构示意图，图中1.晶体长度；2.晶体厚度；3.布儒斯特角。
(五)具体实施方式
实施例1
(1)用LGS晶体制作的一电光Q开关，结构如图1所示，Z方向长l＝40.3mm，X方向的宽度w＝6.12mm，Y方向厚度d＝6.12mm。Y方向加电场，乙方向通光。在掺Nd的YAG激光器中，半波电压为2250V，重复频率分别为1次/秒，10次/秒时，实现了调Q的目的，激光器单脉冲输出能量为1000mJ。
实施例2
(2)用LGS制作的另一电光Q开关，如图2开关，Z方向长l＝20mm，X方向宽度w＝6.12mm，Y方向厚度d＝6.12mm。Y方向加电场，通光方向的两端面加工成布儒斯特角并抛光，α＝62°。半波电压为4070V，重复频率为1次/秒，10次/秒和20次/秒时，实现了调Q的目的，激光器单脉冲输能量为1000mJ。

Claims (2)

1、一种晶体电光Q开关器件，其特征在于它是由La3Ga5SiO14或掺Nd离子La3Ga5SiO14或同构晶体材料La3Ga5-xAlxSiO14，Sr3Ga2Ge4O14，Na2CaGe6O14，Ca3Ga2Ge4O14，La3Ga5.5Nb0.5O14，La3Ga5.5Ta0.5O14制成的，当晶体材料为La3Ga5-xAlxSiO14，x取值范围：0＜x≤5，Q开关器件参数如下：晶体沿Z方向即通光方向的长度l为20mm～40.3mm，厚度d沿X方向或Y方向均可，尺寸为6.12mm，宽度w垂直于长度和厚度方向，尺寸为6.12mm，晶体通光方向的两端面抛光并镀1.064μm的增透膜。
2、根据权利要求所述的晶体电光Q开关器件，其特征在于器件通光方向的两端面可加工成布儒斯特角并抛光，对1.064μm激光，α＝62°，且l取值范围：20～40.3mm，宽度沿X方向w取值范围为6.12mm，厚度沿Y方向d的取值范围6.12mm，厚度方向加电场。
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