一种横向调制kdp型电光q开关
阅读说明：本技术 一种横向调制kdp型电光q开关 (Transverse modulation KDP type electro-optical Q switch ) 是由 商继芳 郝好山 杨金凤 陈铃 苏丽霞 于 2020-12-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种横向调制KDP型电光Q开关,其特征在于：将两块相同的KDP型晶体组合,所述KDP型晶体切型为,其中x、z代表KDP型晶体的各晶轴,l、b分别代表切割晶体的长度和宽度方向,角度θ的取值范围为,所述KDP型晶体的长度方向为通光方向、厚度方向为加电场方向。本发明电光Q开关的半波电压可调,开关形状和电极均易制备,电场更加均匀,因而消光比更高,并且本发明电光Q开关的自然双折射及其受温度的影响更小,对匹配用两晶体的长度偏差、温度偏差等要求更低,容许范围更大,更加实用。(The invention provides a transverse modulation KDP type electro-optical Q switch, which is characterized in that: combining two identical KDP type crystals, wherein the KDP type crystals are cut into Wherein x、z Represents each crystal axis of KDP type crystal, l、b respectively representing the length and width directions, angles of the cut crystal θ Has a value range of The length direction of the KDP type crystal is a light passing direction, and the thickness direction is an electric field adding direction. The half-wave voltage of the electro-optical Q switch is adjustable, the shape and the electrode of the switch are easy to prepare, and the electric field is more uniform, so the extinction ratio is higher, the natural birefringence of the electro-optical Q switch and the influence of the temperature on the electro-optical Q switch are smaller, the requirements on length deviation, temperature deviation and the like of two matched crystals are lower, the allowable range is larger, and the electro-optical Q switch is more practical.)
技术领域
本发明涉及调Q激光器件领域，具体涉及一种横向调制KDP型电光Q开关。
背景技术
在激光技术领域，调Q技术是获得脉冲激光的重要方式之一，Q开关器件是脉冲激光器中必不可少的关键元件。常用的调Q技术主要有被动调Q、声光调Q和电光调Q三种。相比于其他两种调Q技术，电光调Q作为一种主动调Q技术，具有开关速率高、关断能力强、工作状态稳定、便于和其他应用设备在时序上同步等优点，易于获得纳秒级的短脉冲激光，输出激光的峰值功率可达数百兆瓦，因此，电光Q开关器件在脉冲激光器中获得了广泛的应用。
KDP型晶体是少数可实用化的电光晶体之一，也是最早实用化的一类电光晶体。这类晶体生长技术比较成熟，容易生长成大尺寸高光学质量的晶体，且生长成本较低、电光系数较大、抗光损伤阈值较高。因此，这类晶体在已知电光晶体材料中应用最为广泛，特别在民用领域激光器中得到了大量应用，并且其是目前能够满足激光惯性约束核聚变（ICF）应用需求的唯一晶体。
为了避免自然双折射的影响，现有KDP型电光Q开关主要采用的是纵向调制方式，即通光和电场方向相同，均沿光轴方向。这种方式下，一方面必需采用环状电极，开关形状和电极制备难度较大，且电场不易均匀，导致开关不够严，动态消光比较低；另一方面，半波电压高且不可调。
有研究者曾提出一种横向调制运用方式，晶体为45°-z切割，沿z轴方向加电场，通光方向在xoy平面内并且与x、y轴成45°，这种方式下半波电压可通过增加纵横比来降低，但存在自然双折射，需要采用双块晶体补偿，由于通光方向和光轴成90°，自然双折射是最大的，其受温度的影响也最大，导致开关性能极不稳定，对两块晶体的温差、加工偏差以及晶体光学质量等都非常敏感，因此并没有得到实际应用。
发明内容
本发明提出了一种横向调制KDP型电光Q开关，通过优化设计通光和电场方向，在保证横向调制的前提下，利用最大有效电光系数，并增大两晶体温差、加工偏差的容许范围，提高开关的消光比，以满足实际应用需求。
实现本发明的技术方案是：
一种横向调制KDP型电光Q开关，将两块相同的KDP型晶体按照特殊的设计切型和配对方位组合而成，每块晶体均采用特殊角度切割，两块晶体的材料、切型、尺寸、膜层镀制等完全相同，所述KDP型晶体切型为，其中x、z代表KDP型晶体的各晶轴，l、b分别代表切割晶体的长度和宽度方向，角度θ的取值范围为，所述KDP型晶体的长度方向为通光方向，通光方向的两端面抛光并镀有激光增透膜，厚度方向为加电场方向，厚度方向的两晶面镀有金属膜。
所述两块KDP型晶体按照厚度或宽度方向相互垂直、长度方向取向一致进行组合，通过机械夹具或者光学胶合剂进行固定。
所述KDP型晶体为KH2PO4 (KDP)晶体、KD2PO4 (DKDP)晶体或NH4H2PO4 (ADP)晶体中的任意一种。
所述电光Q开关应用于激光器中，在激光器中应用时，通光面与激光传播方向垂直，晶体厚度或宽度方向与激光器中偏振镜的透振方向成45°，两块晶体上所加电压极性相反。
优选地，将两块KDP型晶体按照相同方位放置，即厚度、宽度、长度方向分别平行，然后在两块晶体之间放置应用波长的1/2波片，1/2波片的长轴和短轴与晶体的厚度或宽度方向成45°；在激光谐振腔中应用时，通光面和激光传播方向垂直，晶体厚度或宽度方向和偏振镜的透振方向成45°，两块晶体上所加电压极性相反。
本发明的有益效果是：
（1）通过研究KDP型晶体沿任意方向加电场、沿任意方向通光时的电光效应大小，在保证横向调制的前提下，优选出电光效应最大的配置方式，设计出合理的开关构型，相比于传统的纵向调制KDP型电光Q开关，本发明电光Q开关的半波电压可调，开关形状和电极均易制备，且电场更加均匀，因而消光比更高。
（2）相比于45°-z切割的横向调制KDP型电光Q开关，本发明电光Q开关利用的有效电光系数更大，半波电压更低。例如，对于切割的电光Q开关，其半波电压比同尺寸45°-z切割的电光Q开关降低了22%左右。除此之外，本发明的通光方向与光轴的夹角θ远小于90°，由于自然双折射及其温度效应与成正比，因此本发明电光Q开关的自然双折射及其受温度的影响更小，对匹配用两晶体的长度偏差、温度偏差等要求更低，容许范围更大，更加实用。
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为晶体切型为的示意图，图中x、y、z轴代表KDP型晶体的各晶轴，l、 b、t分别代表切割晶体的长度、宽度和厚度方向；
图2为本发明横向调制KDP型电光Q开关的一种结构示意图，每块晶体切型如图1所示。
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
本实施例中，采用DKDP晶体制备横向调制电光Q开关，设计Q开关晶体切型为，单块晶体尺寸为9mm×9mm×10mm (厚度t×宽度b×长度l)，应用于激光波长为1064 nm的激光器。
按照设计切型和尺寸切割出两块相同规格的DKDP晶体，长度方向的两端面抛光并镀制1064nm的激光增透膜，厚度方向的两晶面上镀制Au/Ti电极，利用机械夹具将两块晶体组合在一起，使其长度方向平行，厚度或宽度方向相互垂直，且使两块晶体上所加电压极性相反，如图2所示，然后将晶体封装在两端带有通光窗口的机械壳内，两通光窗口表面镀有1064nm激光增透膜。
将此横向调制DKDP电光Q开关应用在Nd:YAG激光器中，使通光面与激光传播方向垂直，开关厚度或宽度方向与激光器中偏振镜的透振方向成45°。在1/4波电压加压式调Q方式下，实现了电光调Q的目的。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。1/4波电压为2200V，重复频率为10Hz时，单脉冲输出能量约为160mJ，脉冲宽度约为10ns。
实施例2
本实施例中，采用DKDP晶体制备横向调制电光Q开关，设计Q开关晶体切型为，单块晶体尺寸为9mm×9mm×10mm (厚度t×宽度b×长度l)，应用于激光波长为1064 nm的激光器。
按照设计切型和尺寸切割出两块相同规格的DKDP晶体，长度方向的两端面抛光并镀制1064nm的激光增透膜，厚度方向的两晶面上镀制Au/Ti电极，利用机械夹具将两块晶体组合在一起，使其长度方向平行，厚度或宽度方向相互垂直，且使两块晶体上所加电压极性相反，如图2所示，然后将晶体封装在两端带有通光窗口的机械壳内，两通光窗口表面镀有1064nm激光增透膜。
将此横向调制DKDP电光Q开关应用在Nd:YAG激光器中，使通光面与激光传播方向垂直，开关厚度或宽度方向与激光器中偏振镜的透振方向成45°。在1/4波电压加压式调Q方式下，实现了电光调Q的目的。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。1/4波电压为2800V，重复频率为10Hz时，单脉冲输出能量约为160mJ，脉冲宽度约为10ns。
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。