CN204790228U - 一种低电压退压透射式光纤在线电光调q开关 - Google Patents

Abstract

一种低电压退压透射式光纤在线电光调Q开关，由第一单纤准直器、第一偏振元件组件、电光晶体组件、第二偏振元件组件、第二单纤准直器和退压控制电源组成。是一种带光纤输入输出的退压透射式电光调Q，结构紧凑、体积小、高集成、使用方便；在设计上大大降低工作电压，电压典型值500V-900V，提高了产品可靠性、大幅降低了成本，在0-100KHz调制频率内可调；开关速度快，脉宽很宽范围内固定或可调；以及高的消光比，大大提高了激光峰值功率；在结构和性能上都有很大的优越性，作为高功率激光器的核心器件，广泛应用于光纤传感、光纤通信、激光加工、医疗、军事、科学研究等领域。

Description

一种低电压退压透射式光纤在线电光调Q开关

技术领域

本发明涉及光纤传感、光纤通信、激光加工、医疗、军事、科学研究等领域，尤其是一种低电压退压透射式光纤在线电光调Q开关。

背景技术

在现代光纤传感、光纤通信、激光加工、医疗、军事、科学研究等领域，在脉冲光纤激光器中调Q方式除了被动调Q外，主动调Q技术主要是声光调Q，其脉宽较宽，峰值功率不高，且重复频率调节范围有限。而传统的电光调Q主要应用于固体或气体激光器中，体积大、重复频率低、对偏振敏感，且半波电压比较高，需要几千伏的高压脉冲驱动，对其他电子线路易造成干扰，没有光纤化，造成在需要光纤的场合使用不便且可靠性低；同时，由于传统的电光调Q器件的偏振敏感特性，很难应用于光纤场合。本发明揭示的结构，将解决上述问题，使电光调Q光纤化、集成化，比声光调Q器件成本更低、功率更高、大重复频率可调、脉宽更窄从而峰值功率更高。

实用新型内容

本发明的目的是提供结构简单、体积小、频率高、脉宽可调、驱动电压低、成本低并能获得很高的消光比的低电压退压透射式光纤在线电光调Q开关。

为了实现上述目的，本发明的一种低电压退压透射式光纤在线电光调Q开关由第一单纤准直器、第一偏振元件组件、电光晶体组件、第二偏振元件组件、第二单纤准直器和退压控制电源组成。第一偏振元件组件置于第一单纤准直器的右侧，第二偏振元件组件置于第二单纤准直器的左侧，电光晶体组件置于第一偏振元件组件与第二偏振元件组件之间，退压控制电源与电光组件相连接。

所述的第一单纤准直器包括第一光纤1、第一单纤毛细管2、第一固定器4、第一正透镜3。所述的第二单纤准直器包括第二正透镜14、第二单纤毛细管15、第二光纤16、第二固定器17。所述的第一偏振元件组件包括第一偏振元件5和第三固定器6。所述的第二偏振元件组件包括第二偏振元件12和第四固定器13。所述的电光晶体组件包括电光晶体7、第一导电电极8、第二导电电极9、固定板和第一电极引脚10、第二电极引脚11。

第一光纤1置于第一单纤毛细管2的内部，第一正透镜3置于第一单纤毛细管2的右侧，第一固定器4套在第一单纤毛细管2及第一正透镜3的外部并固定，第一光纤1的端面位于第一正透镜3的后焦面上。

第二光纤16置于第二单纤毛细管15的内部，第二正透镜14置于第二单纤毛细管15的左侧，第二固定器17套在第二单纤毛细管15及第二正透镜14的外部并固定，第二光纤16的端面位于第二正透镜14的后焦面上；

第一偏振元件5置于第三固定器6内并固定，与第一偏振元件相同的第二偏振元件12置于第四固定器13内并固定。

第一导电电极8置于电光晶体7上侧，与电光晶体7上表面紧密贴合并一起绝缘固定到固定板上，第二导电电极9置于电光晶体7下侧，与电光晶体7下表面紧密贴合并绝缘固定到固定板上，第一导电电极8、第二导电电极9分别与第一电极引脚10和第二电极引脚11焊接。

优选的，所述的单纤1可以是单模光纤、多模光纤、双包层光纤、保偏光纤。

优选的，所述的偏振元件能起偏及检偏，可以是镀偏振膜元件、二向色性偏振元件、双折射晶体、纳米光栅。

优选的，所述的退压控制电源18，其重复频率0-100KHz固定或可调；电压下降时间小于10ns，典型值为5-8ns，上升时间小于40ns，典型值为30ns-40ns，脉宽1ns-1μs固定或可调，工作电压小于1500V，典型值为500V-900V可调。

优选的，所述的电光晶体7，可以是KDP类,LiNbO3，PPLN，LiTaO3，GaAs，BGO晶体。晶体端面可承受平均几瓦高功率脉冲激光，晶体厚度长度比能使驱动电压低于1500V，典型值为500V-900V。

优选的，所述的第一电极8、第二电极9，可以是薄金属片，也可以是镀层。

优选的，所述的第一偏振元件5、第二偏振元件12左右两侧端面研磨抛光成一定角度，且两端面平行，并镀有增透膜。

优选的，所述的电光晶体7左右两侧端面研磨抛光，并镀有增透膜。

本发明描述的一种低电压退压透射式光纤在线电光调Q开关的开关时间极短，脉宽窄，消光比比较高，且脉宽可调，使用更灵活方便；开关的频率0Hz-100kHz连续可调，半波电压典型值500V-900V，降低了高电压对产品的电磁影响和热效应，小尺寸光纤在线式封装结构，大大提升了产品灵活性和应用范围；双折射晶体的引入，巧妙解决了偏振依赖的问题。

附图说明

图1是本发明实例提供的一种低电压退压透射式光纤在线电光调Q开关结构示意图。

图2是本发明实例提供的一种低电压退压透射式光纤在线电光调Q开关电源结构简图

具体实施方式

如图1所示，第一单纤准直器由第一光纤1、用以固定第一光纤1且便于耦合对准的第一单纤毛细管2、具有准直作用的第一正透镜3、第一固定器4及起固定作用的材料（如胶粘剂）组成；通过起固定作用的材料将第一光纤1固定在第一单纤毛细管2的内部，然后将第一光纤1的端面按一定角度研磨抛光用以抑制反射光，并加以镀增透膜可以得到优化的性能；第一光纤1的端面通过调试后应位于第一正透镜3的后焦面上以达到良好准直效果；在讨论性能时，该第一光纤1定义为端口一。

第二单纤准直器由第二光纤16、用以固定第二光纤16且便于耦合对准的第二单纤毛细管15、具有准直作用的第二正透镜14、起固定保护作用的第二固定器17及起固定作用的材料（如胶粘剂）组成；用起固定作用的材料（如胶粘剂）将第二光纤16固定在第二单纤毛细管15的内部，且第二光纤16的端面按一定角度研磨抛光以抑制反射光，并加以镀增透膜可以得到优化的性能；第二光纤16的端面通过调试后应位于第二正透镜14的后焦面上以达到良好准直效果，在讨论性能时，第二光纤16定义为端口二。

为使耦合效率更高，第一单纤准直器和第二单纤准直器的光斑束腰大小应相同或接近；第一单纤准直器、第二单纤准直器的光斑束腰大小=光纤远场发散角x正透镜焦距。

第一偏振元件组件由第一偏振元件5、第三固定器6和起固定作用的材料（如胶粘剂）组成。其左右两侧端面研磨抛光成一定角度，且两端面平行，并镀有增透膜，用以减少透射损耗并避免反射光沿原路返回，并适当使透射光产生一定的平移，从而得到更优化的性能和封装特性。把第一偏振元件放进内孔尺寸与第一偏振元件外形尺寸相匹配的第三固定器6中，利用起固定作用的材料（如胶粘剂）将其固定。

第二偏振元件组件由第二偏振元件12、第四固定器13和用起固定作用的材料（如胶粘剂）组成。第二偏振元件12与第一偏振元件5为同一种晶体，其两侧端面研磨抛光成一定角度，且两端面平行，并镀有增透膜，减少透射损耗并避免反射光沿原路返回，并适当使透射光产生一定的平移，从而得到更优化的性能和封装特性。把第二偏振元件12放进内孔尺寸与第二偏振元件12外形尺寸相匹配的第四固定器13中。在放置时，第二偏振元件12与第一偏振元件5的晶轴成镜像放置。利用起固定作用的材料（如胶粘剂）将其固定。

电光晶体组件由电光晶体7、第一导电电极8、第二导电电极9、固定板、第一电极引脚10、第二电极引脚11和起固定作用的材料（如胶粘剂、焊锡）组成。具体实施时，先将电光晶体与第一、第二导电电极分别与电光晶体上下面紧密贴合，利用起固定作用的材料（如胶粘剂）将三者一起绝缘固定到起辅助支撑作用的固定块上，然后将第一、第二导电电极外侧利用焊接材料分别与第一电极引脚10、第二电极引脚11焊接到一起。

所述第一偏振元件5、第二偏振元件12采用钒酸钇晶体，具有双折射效应。一束自然光经单纤准直器准直入射到第一偏振元件5后，入射光与晶体光轴成一定角度，则被分解成偏振态相互垂直的两束线偏振光：o光和e光；o光为寻常光，符合折射定律；e光为非常光，不遵循折射定律。第二偏振元件12与第一偏振元件5刚好反置，若从第一偏振元件5出射的o光和e光偏振面没有旋转任何角度，对于第二偏振元件12来说，入射的o光仍为o光，入射的e光仍为e光，由于第二偏振元件12相对第一偏振元件5镜像放置，第二偏振元件12可以将接收到的两束偏振态相互垂直正交的线偏振光o光和e光复合成一束光出射。但是如果从第一偏振元件5出射的o光和e光偏振面旋转了90度，对于第二偏振元件12来说，入射的o光变e光，e光变o光，则两束光不能复合成一束光，而是彼此分离并偏离原光路从而不能耦合进第二单纤准直器，即端口二，从而达到消光效果。

电光晶体7是一种具有电光效应的晶体，电光晶体在没有外加电压时，光的偏振态不会发生改变，经第一偏振元件5后出射的o光e光经电光晶体后出射光仍然是o光和e光，经第二偏振元件，o光和e光复合成一束光出射，经第二单纤准直器接收并输出，此时腔内损耗最小。

当加有半波电压时，对应第一偏振元件5合理的位置调整，电光晶体7能够使偏振光的偏振面旋转90°，当自然光经第一偏振元件5后形成偏振面相互垂直的两束线偏振光o光和e光，通过电光晶体7，光的偏振面旋转90度，o光变e光，e光变o光出射，入射到第二偏振元件12时，o光和e光向互相背离，偏离原光路，无法被第二光纤准直器接收，从而产生消光，大大增加了光损耗。特别的，通过调整使第一偏振元件5光轴与第二偏振元件12光轴和电光晶体7的光轴之间的相对位置达到最佳时，第二单纤准直器接收的光能量最小，此时消光比最高，光损耗最大。

具体实施时，将第一偏振元件组件、电光晶体组件和第二偏振元件组件按照从左到右的顺序放置到内孔底槽与第一偏振元件组件、电光晶体组件和第二偏振元件组件尺寸相适配的壳体内，使三者中心线在同一直线上，三者之间不要相接触。第一单纤准直器位于第一偏振元件的左侧，第二单纤准直器位于第二偏振元件的右侧。

为将所需位置固定，可用多维调节系统分别夹持第一单纤准直器和第二单纤准直器并加以调节，采用转动第一偏振元件组件的第三固定管和第二偏振元件组件的第四固定管来实现三者之间的光轴位置角度适配。按上述要求调好光路、角度后根据需要和工艺特点可用桥接件固定封装，封装工艺可用胶固定，可用锡钎焊，封装后封装体应是密封的；为对初步封装件起更好保护作用，可根据需要再次做外部封装。

具体实施时，应使第一电极引脚10、第二电极引脚11与封装壳体绝缘。使退压控制电源18的正极引脚19与第一电极引脚10良好连接，使退压控制电源的负极引脚20与第二电极引脚11良好连接，构成完整的电光调Q开关。

由于采用了上述方案，本发明提供的高消光比的低电压退压透射式光纤在线电光调Q开关能将一般输出的连续或脉冲激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使光源的峰值功率可以提高几个数量级。特别是，光纤准直器的引入以及电光晶体小厚度长度比的设计，小型化了封装尺寸、大大降低了驱动电压、得到较宽的调制频率、较宽的脉宽调节范围，以及高的消光比，使得其驱动电压典型值500V-900V,远低于常规电光调Q的3000V-4000V的驱动电压；其调制频率高且在0-100kHz内可调，是常规电光调Q几十Hz到几千Hz调制频率的几十倍到几百倍；开关时间短，速度快，调制脉冲近方波，脉宽窄，1ns-1μs固定或可调，输出光峰值功率更高，使用更方便；同时光纤化了电光调Q开关，具有很大的易用性和很高集成度。在应用时不用对光路进行麻烦的调节和做复杂的防振防尘保护，是免维护的，大大降低了成本，在结构、可靠性和性能上都有很大的优越性，作为光纤激光器的核心部件广泛应用于光纤传感、光纤通信、激光加工、医疗、军事、科学研究等领域。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种低电压退压透射式光纤在线电光调Q开关，其特征在于：所述的低电压退压透射式光纤在线电光调Q开关由第一单纤准直器、第一偏振元件组件、电光晶体组件、第二偏振元件组件、第二单纤准直器和退压控制电源组成，第一偏振元件组件置于第一单纤准直器的右侧，第二偏振元件组件置于第二单纤准直器的左侧，电光晶体组件置于第一偏振元件组件与第二偏振元件组件之间，退压控制电源与电光组件相连接。

2.如权利要求1所述的低电压退压透射式光纤在线电光调Q开关，其特征在于：第一单纤准直器包括第一光纤（1）、第一单纤毛细管（2）、第一固定器（4）、第一正透镜（3），第一光纤（1）置于第一单纤毛细管（2）的内部，第一正透镜（3）置于第一单纤毛细管（2）的右侧，第一固定器（4）套在第一单纤毛细管（2）及第一正透镜（3）的外部并固定，第一光纤（1）的端面位于第一正透镜（3）的后焦面上。

3.如权利要求1所述的低电压退压透射式光纤在线电光调Q开关，其特征在于：第二单纤准直器包括第二正透镜（14）、第二单纤毛细管（15）、第二光纤（16）、第二固定器（17），第二光纤（16）置于第二单纤毛细管（15）的内部，第二正透镜（14）置于第二单纤毛细管（15）的左侧，第二固定器（17）套在第二单纤毛细管（15）及第二正透镜（14）的外部并固定，第二光纤（16）的端面位于第二正透镜（14）的后焦面上。

4.如权利要求1所述的低电压退压透射式光纤在线电光调Q开关，其特征在于：第一偏振元件组件包括第一偏振元件（5）和第三固定器（6），第一偏振元件（5）置于第三固定器（6）内并固定，第二偏振元件组件包括第二偏振元件（12）和第四固定器（13），第二偏振元件（12）置于第四固定器（13）内并固定。

5.如权利要求1所述的低电压退压透射式光纤在线电光调Q开关，其特征在于：电光晶体组件包括电光晶体（7）、第一导电电极（8）、第二导电电极（9）、固定板和第一电极引脚（10）、第二电极引脚（11），第一导电电极（8）置于电光晶体（7）上侧，与电光晶体（7）上表面紧密贴合并一起绝缘固定到固定板上，第二导电电极（9）置于电光晶体（7）下侧，与电光晶体下表面紧密贴合并绝缘固定到固定板上，第一导电电极（8）与第一电极引脚（10）连接，第二导电电极（9）与第二电极引脚（11）连接，退压控制电源（18）的正极引脚和负极引脚分别与第一电极引脚（10）、第二电极引脚（11）连接。

6.如权利要求2或3所述的低电压退压透射式光纤在线电光调Q开关，其特征在于：所述的光纤是单模光纤或多模光纤、稀土掺杂光纤、双包层光纤、保偏光纤。

7.如权利要求4所述的低电压退压透射式光纤在线电光调Q开关，其特征在于：所述的偏振元件包含双折射晶体或偏振膜分束/合束元件、二向色性偏振片、纳米光栅。

8.如权利要求1所述的低电压退压透射式光纤在线电光调Q开关，其特征在于：所述的退压控制电源，其重复频率0-100KHz固定或可调；电压下降时间小于10ns，上升时间小于40ns，脉宽1ns-1μs固定或可调，工作电压在500V-1500V可调。

9.如权利要求5所述的低电压退压透射式光纤在线电光调Q开关，其特征在于：所述的电光晶体是KDP晶体或LiNbO₃，PPLN，LiTaO₃，AsGa，BGO晶体，晶体厚度0.5mm-5mm，端面宽度不限，可承受平均几瓦高功率脉冲激光，改变其厚度长度比能使工作电压在500V-1500V内任意改变。

10.如权利要求5所述的低电压退压透射式光纤在线电光调Q开关，其特征在于：所述的第一电极（8）、第二电极（9）电极是薄金属片或导电镀层。