一种低电压独立加压式电光q开关
阅读说明：本技术 一种低电压独立加压式电光q开关 (Low-voltage independent pressurization type electro-optical Q switch ) 是由 商继芳 孙军 杨金凤 周娅玲 郝好山 于 2021-07-12 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种低电压独立加压式电光Q开关,属于晶体材料在光电技术领域中的应用。本发明是由铌酸锂或者钽酸锂晶体按照一定的设计切型制成的一种电光Q开关器件,用于YAG激光器及其他激光器中作电光调Q使用。本发明的电光Q开关能够独立进行加压式电光调Q,既规避了传统加压式电光调Q需要额外使用偏振元件,进而导致的插入损耗大、激光器结构不够紧凑稳定的弊端,又保留了加压式工作对调Q驱动源要求低、Q开关寿命长等优点。同时,本发明的电光Q开关半波电压得到有效降低,器件更加容易制备。(The invention provides a low-voltage independent pressurization type electro-optical Q switch, belonging to the application of crystal materials in the field of photoelectric technology. The invention relates to an electro-optical Q-switch device which is made by cutting lithium niobate or lithium tantalate crystals according to a certain design and is used for electro-optical Q-switching in YAG lasers and other lasers. The electro-optical Q switch can independently perform pressurized electro-optical Q switching, overcomes the defects that the traditional pressurized electro-optical Q switching needs an additional polarizing element, so that the insertion loss is large, and the laser structure is not compact and stable enough, and also keeps the advantages of low requirement of pressurized work on Q switching drive sources, long service life of the Q switch and the like. Meanwhile, the half-wave voltage of the electro-optical Q-switch is effectively reduced, and the device is easier to prepare.)
技术领域
本发明涉及激光器件领域，特别涉及一种低电压独立加压式电光Q开关。
背景技术
在激光
技术领域
，调Q技术是目前获得高峰值功率窄脉宽激光最主要的方式之一，其通过某种方法周期性地调制激光谐振腔内的损耗，使能量在高损耗期间在激光工作物质中大量存储，当能量积累到最大值时，使腔内损耗突然降至最低，此时激光振荡迅速建立，并在极短时间内快速释放出大量能量，从而实现高峰值功率窄脉宽激光输出。现有调Q技术主要包括电光调Q、声光调Q、被动调Q、机械调Q等。相比于其他调Q技术，电光调Q具有开关速率高、关断能力强、主动可控等优点，更加利于获得稳定可控的高峰值功率短脉冲激光，因此电光调Q技术在激光领域得到了大量的应用，电光Q开关器件广泛应用于脉冲激光器中。
目前，实用化的电光Q开关器件主要是由磷酸二氘钾（KD2PO4，DKDP）、铌酸锂（LiNbO3，LN）、磷酸钛氧铷（RbTiOPO4，RTP）等晶体制备的，且开关构型主要采用的是所谓的正切方式，即通光方向和加电方向分别沿着晶体的某一主轴。这种构型的电光Q开关按照加压式调Q方式工作时必须额外使用四分之一波片或者检偏镜，一方面增加了腔内损耗，不利于激光器的紧凑性和稳定性，另一方面，增加了成本和调试难度。退压时调Q应用时，虽然不需要增加偏振元件，但由于高电压长时间作用，Q开关器件寿命会缩短，并且退压式电光驱动电源制备难度较大。此外，有些晶体存在压电和弹光效应，退压式应用时其调Q性能会受到严重影响，甚至无法工作。
前期，我们设计开发了一种功能复合应用的电光Q开关（发明专利《一种功能复合电光Q开关（CN108767650B）》），其可在不加四分之一波片或检偏镜的情况下实现加压式调Q工作，同时结合了加压式和退压式调Q的优点，但是，这种构型的LN电光Q开关的半波电压与传统z切LN电光Q开关是相等的，驱动电压仍比较高。此外，此开关切型为，在加工制备方面存在一定的难度。
发明内容
本发明提出了一种低电压独立加压式电光Q开关，解决了现有技术存在的无法兼顾加压式和退压式电光调Q的优点、开关半波电压高、制备难度大等不足。提供的一种电光Q开关器件，既结合加压式和退压式的优点，能够独立实现加压式电光调Q，同时半波电压更低，加工调试难度更小。
实现本发明的技术方案是：
一种低电压独立加压式电光Q开关，电光晶体采用特殊角度切割，切型为，其中y、z轴分别代表电光晶体的各晶轴，b代表切割晶体宽度方向，θ角取锐角。
所述θ角满足关系式：，其中，，L为通光方向的长度，n o和n e为电光晶体的自然双折射率，λ为激光波长。
所述电光晶体为铌酸锂晶体或钽酸锂晶体。
所述电光晶体的长度方向为通光方向，两端面抛光并镀制激光增透膜。
沿晶体厚度方向加电场，厚度方向的两晶面镀制金属膜。
所述切型还可以为或，其中x、z轴代表电光晶体的各晶轴，l、b分别代表切割晶体的长度和宽度方向。
所述电光Q开关半波电压降低1kV以上。
在激光谐振腔中应用时，激光垂直于通光面入射，晶体厚度或宽度方向和偏振镜的透振方向成45°角。
本发明的有益效果是：
（1）与传统正切电光Q开关相比，本发明的电光Q开关能够在不加1/4波片或检偏镜的情况下，独立实现加压式电光调Q，同时结合了加压式和退压式调Q工作的优势，激光器更加紧凑稳定，调试难度和成本更低，且器件寿命更长，对电光调Q驱动电源的要求更低。
（2）与切型的LN电光Q开关相比，本发明通过分析计算沿任意方向加电、沿任意方向通光时的电光效应大小，结合电光调Q理论，优选出了最佳的晶体切型和调制方式，设计的电光Q开关半波电压大幅降低，可以降低1kV以上；同时，本发明电光Q开关的晶体切型只涉及一次旋转，更加容易加工制备。
（3）本发明是由铌酸锂或者钽酸锂晶体按照一定的设计切型制成的一种电光Q开关器件，用于YAG激光器及其他激光器中作电光调Q使用。本发明的电光Q开关进能够独立进行加压式电光调Q，既规避了传统加压式电光调Q需要额外使用偏振元件，进而导致的插入损耗大、激光器结构不够紧凑稳定的弊端，又保留了加压式工作对调Q驱动源要求低、Q开关寿命长等优点。同时，本发明的电光Q开关半波电压得到有效降低，器件更加容易制备。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明电光Q开关的结构示意图。图中x、y、z轴代表电光晶体的各晶轴，l、b、 t分别代表切割晶体的长度、宽度和厚度方向。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
采用LN晶体制备低电压独立加压式电光Q开关，设计Q开关的尺寸为9 mm×9 mm×18.8 mm(厚度t×宽度b×长度l)，应用于激光波长为1064 nm的激光器。由公式，取k=5，代入相应参数，求得θ值为2.5°，将LN晶体按照切型切割，沿长度方向的两端面抛光并镀1064 nm的增透膜，沿厚度方向的两晶面上镀制Au/Ti电极。
在激光器中应用时，激光垂直于晶体端面入射，Q开关的厚度和宽度方向与激光器中偏振镜的透振方向成45°角放置。从图1可以看出激光传播方向与晶体光轴的夹角为θ，即2.5°，传播方向的方位角为-90°。
不加电压时，激光通过Q开关后由自然双折射产生的相位差为11p/2，本征偏振方向分别沿厚度和宽度方向，即与偏振镜的透振方向成45°，激光由全反镜反射后，再次通过Q开关产生11p/2的相位差，因此总的相位差为11p，此时激光偏振方向相对原偏振方向正好旋转90°，无法再次通过偏振镜，Q开关处于关断状态，腔损耗最大，Q值最低。
当在Q开关上施加1/4波电压时，激光通过Q开关后产生的相位差变为5p，往返两次通过晶体后总相位差为10p，此时激光偏振方向仍和原偏振方向相同，可以通过偏振镜，Q开关处于打开状态，腔损耗最小，Q值最高。
将此电光Q开关应用在Nd:YAG激光器中，不加电压时，光路能够完全关断，施加1/4波调Q高压时，获得了稳定的脉冲激光输出，重复频率为10Hz时，单脉冲输出能量为200mJ，脉冲宽度为7ns，即实现了独立加压式电光调Q，谐振腔中无需使用1/4波片或检偏镜。1/4波电压为1650V，相比于前期设计的切型为(xztw)-1.2°/1.2°的电光Q开关（发明专利《一种功能复合电光Q开关（CN108767650B）》），半波电压降低了1100V。
实施例2
采用LN晶体制备低电压独立加压式电光Q开关，设计Q开关的尺寸为9 mm×9 mm×18.8 mm(厚度t×宽度b×长度l)，应用于激光波长为1064 nm的激光器。由公式，取k=4，代入相应参数，求得θ值为2.3°，将LN晶体按照切型切割，沿长度方向的两端面抛光并镀1064 nm的增透膜，沿厚度方向的两晶面上镀制Au/Ti电极。
在激光器中应用时，使激光垂直于晶体端面入射，并使Q开关的厚度和宽度方向与激光器中偏振镜的透振方向成45°角放置。这样，在晶轴坐标系中，激光传播方向与晶体光轴的夹角为θ，即2.3°，传播方向的方位角为30°。
不加电压时，激光通过Q开关后由自然双折射产生的相位差为9p/2，本征偏振方向分别沿厚度和宽度方向，即与偏振镜的透振方向成45°，激光由全反镜反射后，再次通过Q开关产生9p/2的相位差，因此总的相位差为9p，此时激光偏振方向相对原偏振方向正好旋转90°，无法再次通过偏振镜，Q开关处于关断状态，腔损耗最大，Q值最低。
当在Q开关上施加1/4波电压时，激光通过Q开关后产生的相位差变为4p，往返两次通过晶体后总相位差为8p，此时激光偏振方向仍和原偏振方向相同，可以通过偏振镜，Q开关处于打开状态，腔损耗最小，Q值最高。
将此电光Q开关应用在Nd:YAG激光器中，不加电压时，光路能够完全关断。施加1/4波调Q高压时，获得了稳定的脉冲激光输出，重复频率为10Hz时，单脉冲输出能量为200mJ，脉冲宽度为7ns，即实现了独立加压式电光调Q，谐振腔中无需使用1/4波片或检偏镜。1/4波电压为1750V，相比于前期设计的切型为(xztw)-1.2°/1.2°的电光Q开关（发明专利《一种功能复合电光Q开关（CN108767650B）》），半波电压降低了900V。
实施例3：
采用LN晶体制备低电压独立加压式电光Q开关，设计Q开关的尺寸为9 mm×9 mm×18.8 mm(厚度t×宽度b×长度l)，应用于激光波长为1064 nm的激光器。由公式，取k=6，代入相应参数，求得θ值为2.7°，将LN晶体按照切型切割，沿长度方向的两端面抛光并镀1064 nm的增透膜，沿厚度方向的两晶面上镀制Au/Ti电极。
在激光器中应用时，使激光垂直于晶体端面入射，并使Q开关的厚度和宽度方向与激光器中偏振镜的透振方向成45°角放置。这样，在晶轴坐标系中，激光传播方向与晶体光轴的夹角为θ，即2.7°，传播方向的方位角为150°。
不加电压时，激光通过Q开关后由自然双折射产生的相位差为13p/2，本征偏振方向分别沿厚度和宽度方向，即与偏振镜的透振方向成45°，激光由全反镜反射后，再次通过Q开关产生13p/2的相位差，因此总的相位差为13p，此时激光偏振方向相对原偏振方向正好旋转90°，无法再次通过偏振镜，Q开关处于关断状态，腔损耗最大，Q值最低。
当在Q开关上施加1/4波电压时，激光通过Q开关后产生的相位差变为6p，往返两次通过晶体后总相位差为12p，此时激光偏振方向仍和原偏振方向相同，可以通过偏振镜，Q开关处于打开状态，腔损耗最小，Q值最高。
将此电光Q开关应用在Nd:YAG激光器中，不加电压时，光路能够完全关断。施加1/4波调Q高压时，获得了稳定的脉冲激光输出，重复频率为10Hz时，单脉冲输出能量为200mJ，脉冲宽度为7ns，即实现了独立加压式电光调Q，谐振腔中无需使用1/4波片或检偏镜。1/4波电压为1600V，相比于前期设计的切型为(xztw)-1.2°/1.2°的电光Q开关（发明专利《一种功能复合电光Q开关（CN108767650B）》），半波电压降低了1200V。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。