鈮酸鋰電光調(diào)Q晶體漏光現(xiàn)象的研究

商繼芳，楊金鳳，郝好山，李清連，張 玲，孫 軍

(1.河南工程學院,河南省電子陶瓷材料與應(yīng)用重點實驗室,鄭州 451191; 2.河南工程學院理學院,鄭州 451191;3.南開大學泰達應(yīng)用物理研究院，天津 300457；4.南開大學物理科學學院,天津 300071)

0 引 言

電光調(diào)Q技術(shù)是目前獲得高峰值功率、窄脈沖寬度激光最主要的方式之一，其具有開關(guān)速率高、關(guān)斷能力強、主動可控等優(yōu)勢[1]，輸出激光的時間可以精確控制，因此激光器和其他聯(lián)動儀器之間可以做到高精度同步[2]，更加有利于應(yīng)用。作為電光調(diào)Q開關(guān)的核心部件，電光晶體的性能對調(diào)Q性能有著至關(guān)重要的影響。一般而言，實用化的調(diào)Q開關(guān)要求電光晶體具有光學均勻性好、電光系數(shù)大、抗激光損傷閾值高、透過范圍寬、物化性能穩(wěn)定、易于加工等特點[3-4]，但能夠完全滿足以上要求的晶體較少。

目前，能夠?qū)嵱没碾姽饩w主要有磷酸二氘鉀(DKDP)、鈮酸鋰(LN)、磷酸鈦氧銣(RTP)晶體[5-6]。DKDP晶體抗激光損傷閾值較高、電光系數(shù)較大、容易生長成大尺寸晶體，在民用領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，但其易潮解，特殊的封裝方式導致溫度穩(wěn)定性較差[7]，低溫下無法工作，不能滿足軍用需求。此外，DKDP電光調(diào)Q采用的是縱向調(diào)制方式，調(diào)Q高壓無法降低，且電場不易均勻，影響激光系統(tǒng)的動靜比[8]。RTP晶體是近年來新投入使用的一種電光晶體，具有電光系數(shù)大、損傷閾值高、無壓電振鈴效應(yīng)等優(yōu)點，是高重復頻率電光調(diào)Q開關(guān)的首選晶體[9]，但它作為雙軸晶體，應(yīng)用時需配對使用以補償自然雙折射[10]，因此對晶體的光學質(zhì)量、加工質(zhì)量等要求較高，由于自然雙折射受溫度影響較大，其調(diào)Q性能對兩晶體的溫差特別敏感，另外RTP晶體價格過于昂貴，限制了其應(yīng)用范圍。LN晶體生長技術(shù)較為成熟，容易生長成大尺寸晶體，而且不易潮解，溫度穩(wěn)定性高，應(yīng)用時無需配對，成本較低，裝調(diào)方便，因此在諸多領(lǐng)域特別在對溫度穩(wěn)定性要求較高的軍工領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[11-12]。

然而，在實際工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，LN電光調(diào)Q開關(guān)整體表現(xiàn)出性能一致性差的問題，退壓式調(diào)Q時差異更加明顯。在LN電光調(diào)Q開關(guān)上施加電場后，經(jīng)常出現(xiàn)光路無法關(guān)斷的現(xiàn)象，漏光量甚至可以達到靜態(tài)輸出能量的20%以上。不同調(diào)Q開關(guān)漏光量不同，且漏光量還會隨時間發(fā)生變化，部分調(diào)Q開關(guān)初始不漏光，但在使用一段時間后，就可能出現(xiàn)漏光，并且沒有規(guī)律性。更換電極方向后，對漏光量也有影響。

針對上述問題，本論文工作從實驗出發(fā)，首先對多塊LN晶體的退壓式電光調(diào)Q性能進行了測試，篩選出性能差異較大的若干晶體；然后結(jié)合電光調(diào)Q理論，分析了光路無法關(guān)斷的可能原因；在此基礎(chǔ)上，利用X射線定向儀、錐光干涉法等手段對各個可能的影響因素進行了表征，首次發(fā)現(xiàn)了LN晶體的電光不均勻性，證實了其是造成光路無法關(guān)斷、不同開關(guān)性能差異較大的主要原因。

1 實 驗

1.1 退壓式電光調(diào)Q測試

在Nd∶YAG激光器中測試了多塊LN晶體的退壓式電光調(diào)Q性能，實驗裝置如圖1所示。諧振腔采用平平腔，腔長約為430 mm，輸出鏡透過率為10%。激光增益介質(zhì)為Nd∶YAG激光棒，尺寸為φ5 mm×80 mm，摻雜濃度為1.1at%。泵浦源為脈沖氙燈，采用側(cè)面泵浦的方式，其注入能量約為10 J。氙燈和Nd∶YAG激光棒分別置于一個橢圓形聚光腔的兩個焦點上，聚光腔內(nèi)表面鍍有高反金屬膜，金屬膜外層鍍有過濾紫外光譜的介質(zhì)膜，從而充分減小了熱效應(yīng)。泵浦能量通過聚光腔匯聚到Nd∶YAG晶體上。采用水冷的方式對氙燈和Nd∶YAG激光棒進行冷卻。偏振鏡為沿布儒斯特角放置的石英片。實驗所用的電光調(diào)Q開關(guān)是采用摻鎂LN晶體制備的，晶體鋰含量為48.6mol%，摻鎂量為5mol%，尺寸均為9 mm×9 mm×18.8 mm (x×y×z)，晶體x面鍍有Ti/Au電極，z面鍍有1 064 nm的增透膜。開關(guān)裝配結(jié)構(gòu)和文獻[13]中相同，采用的是彈性裝配技術(shù)，降低了晶體內(nèi)部所受應(yīng)力，且使應(yīng)力分布更加均勻，利用金屬電極片引出電極以施加調(diào)Q高壓。激光輸出能量采用型號為NIM-E1000的激光能量計測量。

腔內(nèi)僅含偏振鏡時的靜態(tài)輸出能量約為200 mJ左右，插入各晶體后輸出能量下降很小，均約在190 mJ以上。為了考察各調(diào)Q開關(guān)的關(guān)斷效果，在晶體上施加可調(diào)的直流高壓，通過改變電壓大小，使激光輸出能量達到最小，記錄最小漏光量和相應(yīng)的電壓值。改變電壓極性，觀察漏光量的變化情況。

1.2 漏光原因分析

根據(jù)電光調(diào)Q的原理，1/4波電壓退壓式電光調(diào)Q配置相當于一個電光調(diào)制器，兩個電光晶體置于兩個平行的偏振鏡之間，調(diào)制器的透過率T可表達為[14]：

(1)

其中，α為偏振鏡的透振方向和晶體中本征偏振方向的夾角，δ為激光往返兩次通過電光晶體時產(chǎn)生的總相位差。

要實現(xiàn)關(guān)斷狀態(tài)，透過率T應(yīng)為0，從式(1)中可得出sin2(2α)和sin2(δ/2)項應(yīng)同時為1，即應(yīng)有α=±45°，±135°和δ=π+2kπ(k=0,±1,±2…)。光路無法關(guān)斷表明，施加電場后α或者δ不滿足上述條件。

通過分析認為，影響α角的因素主要有以下三種：

(1)受加工和調(diào)試精度影響，晶體的x軸(或y軸)和偏振鏡的透振方向不平行，成一定的夾角θ。LN電光調(diào)Q開關(guān)采用的是沿z軸通光、沿x軸加電場的調(diào)制方式。由電光效應(yīng)理論，在x軸方向施加電場后，電感應(yīng)主軸x′、y′相對原軸x、y旋轉(zhuǎn)45°，z′軸和z軸相同[15]。沿z軸通光，晶體中的本征偏振方向?qū)⒀刂鴛′和y′軸，因此偏振鏡的透振方向和本征偏振方向的夾角α將是45°+θ。

(2)晶體光軸和端面法線之間存在偏離，激光垂直于端面入射時，傳播方向不是沿著z軸，而是和晶體各軸成一定的角度，設(shè)為(θ,φ)(θ為激光傳播方向與光軸的夾角，φ為激光傳播方向在xoy面的投影與電感應(yīng)主軸x′的夾角)。由折射率橢球理論可以求出，本征偏振方向不再沿著x′和y′軸，而是相對于主平面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角β為[16]：

(2)

當偏振鏡的透振方向和x軸平行時，可得出α角為45°+φ+β?？梢姡廨S的偏離角度(θ,β)對α均有影響。當θ比較小時，式(2)中含sin2θ的項可以忽略，β約等于-φ，因此α仍約為45°。而當θ比較大時，除φ等于0或者π/2，即沿著電感應(yīng)主軸傳播外，α角將偏離45°，從而影響關(guān)斷狀態(tài)。

(3)在前兩點的分析中，都是基于電場施加在x軸方向上、感應(yīng)主軸相對于原軸旋轉(zhuǎn)45°進行分析的，而LN晶體缺陷結(jié)構(gòu)復雜，晶體內(nèi)部可能存在內(nèi)電場，其熱釋電效應(yīng)也比較嚴重，雙折射易受應(yīng)力等因素的影響[17-18]，因此在晶體上施加電場后，可能并不只是電場在起作用，而是多種效應(yīng)的綜合作用，從而使感應(yīng)主軸和原軸的夾角并不是45°，即α不是45°，從而影響關(guān)斷效果。

如果漏光是相位延遲量δ不滿足條件造成的，則主要應(yīng)該考慮相位延遲量在整個通光截面內(nèi)分布不均勻，否則通過調(diào)節(jié)電壓大小可使相位延遲量滿足條件。分析認為，相位延遲量分布不均勻一方面和晶體的靜態(tài)光學均勻性有關(guān)，另一方面可能也受到上述多種效應(yīng)的綜合作用，且各個效應(yīng)在通光截面內(nèi)分布不均勻。

1.3 影響因素表征

在上述分析的基礎(chǔ)上，首先采用X射線定向儀測量了每塊晶體的各軸向偏差，定向儀的定向精度為1′。然后利用錐光干涉法對各晶體的靜態(tài)光學均勻性進行了表征。對于晶體施加電場后，是否受到多種效應(yīng)的綜合作用、感應(yīng)主軸是否偏離45°、各種效應(yīng)在通光截面內(nèi)分布是否均勻等問題的探究，主要采用加電錐光干涉法進行了定性分析。根據(jù)錐光干涉原理[19]，干涉圖樣上條紋的亮暗反映了沿不同方向入射激光的雙折射情況，干涉環(huán)代表等相位線，因此干涉圖樣能夠反映晶體折射率橢球的對稱性，干涉圖樣的對稱軸對應(yīng)折射率橢球的主軸，若干涉環(huán)發(fā)生畸變，說明存在光學不均勻性。錐光干涉裝置示意圖如圖2所示。

激光光源是波長為632.8 nm的氦氖激光器。起偏鏡和檢偏鏡的偏振方向正交，為了便于觀察，通常使其偏振方向分別沿著水平和豎直方向。通過毛玻璃的散射作用，將激光束散射成錐形激光。待測的鈮酸鋰晶體置于毛玻璃和檢偏鏡之間，調(diào)節(jié)使晶體的x軸和y軸分別沿著水平和豎直方向。通過調(diào)節(jié)毛玻璃與晶體之間的距離、上下平移晶體位置，可以改變晶體內(nèi)形成錐光的區(qū)域，由此來觀察晶體內(nèi)不同區(qū)域的光學均勻性。在晶體上施加直流高壓，可以對加電后的錐光干涉圖樣進行觀測。

2 結(jié)果與討論

為了對比，實驗篩選出四塊性能差異較大的LN晶體，其漏光量及相應(yīng)的外加電壓如表1所示。從表中可以看出，不同調(diào)Q開關(guān)的漏光量差異較大，且外加電壓的方向?qū)β┕饬恳灿杏绊?。另外需要指出的是?2晶體的漏光量還會隨外加電壓時長發(fā)生變化。電源接通瞬間，漏光量很小，然后在短時間內(nèi)快速增加，最后在某個值附近波動，沒有規(guī)律性，因此表中所列數(shù)據(jù)是漏光量基本趨于穩(wěn)定后得到的。實驗中發(fā)現(xiàn)，外加電壓在一定范圍內(nèi)變化時，漏光量基本不發(fā)生變化，因此上述表格中，雖然不同LN電光調(diào)Q開關(guān)的1/4波電壓有所差異，但在誤差范圍內(nèi)基本可以認為是相同的。

表1 不同LN電光調(diào)Q開關(guān)的漏光量及相應(yīng)的1/4波電壓Table 1 Light leakage and quarter-wave voltage for different LN EO Q-switches

利用X射線定向儀測得各晶體的z軸沿x軸和y軸方向偏轉(zhuǎn)的角度均不超過3′。這個角度很小，由式(2)可以估算出β約等于-φ，因此α仍約為45°，由此排除了光軸軸向偏離的影響。

實驗測得各晶體的x軸或y軸與晶體表面法線間的夾角最大不超過10′，并且在裝配調(diào)試時，晶體和偏振鏡裝配支架的加工精度能夠保證偏振鏡的透振方向和晶體的y表面平行。假設(shè)激光偏振方向和x軸間的夾角最大為15′，則由透過率公式(1)(設(shè)δ滿足條件)，可求得透過率T為7.6×10-5，基本趨于零，不會影響關(guān)斷效果，因此也可以排除x軸軸向偏離的影響。

利用錐光干涉法測得各晶體不加電壓時的靜態(tài)光學均勻性均較好，如圖3為漏光量最大的#2晶體不加電壓時的錐光干涉圖樣，干涉環(huán)清晰完整，且無任何畸變，十字叉清晰且完全正交，說明調(diào)Q開關(guān)漏光并不是靜態(tài)光學均勻性差導致的。

當在晶體上施加電場后，發(fā)現(xiàn)不同晶體的錐光干涉圖樣差異較大，如圖4為各晶體在不同極性電壓下，激光沿端面中心入射時的錐光干涉圖樣。而由電光效應(yīng)和錐光干涉理論可以得出，在LN晶體x軸方向施加電場時，錐光干涉圖樣應(yīng)如圖5所示，干涉環(huán)由一系列橢圓構(gòu)成，橢圓的長軸和短軸分別沿著電感應(yīng)主軸x′和y′方向，與x軸、y軸成45°角，消光線為雙曲線，消光區(qū)域的對稱軸也沿著感應(yīng)主軸方向。當電壓極性相反時，干涉圖樣將旋轉(zhuǎn)90°。

通過比較各圖可以看出，只有#4晶體加電場后的錐光干涉圖樣和理論分析比較吻合，干涉環(huán)呈橢圓狀，條紋清晰，形狀規(guī)則對稱，無任何畸變，圖樣對稱軸分別沿感應(yīng)主軸。而其他晶體的加電錐光干涉圖樣，或多或少都和理論分析存在偏差。對于#2晶體，雖然橢圓干涉環(huán)仍比較規(guī)則，但其對稱軸相對于45°方向發(fā)生了偏離，粗略估計偏離角度已達到10°左右，并且加電方向不同，偏轉(zhuǎn)的方向也不同。此外還發(fā)現(xiàn)，在此晶體上施加電場后，錐光干涉圖樣還隨加電時長變化，感應(yīng)主軸偏轉(zhuǎn)，干涉環(huán)的橢圓率也發(fā)生改變，在剛開始的20 s內(nèi)變化較明顯，然后變化緩慢，這和漏光量隨加電時長不斷變化這一點是比較吻合的。對于#1晶體，沿+x方向加電時，橢圓對稱軸相對于45°方向也發(fā)生了偏離，只是偏離的角度較小，此外，橢圓干涉環(huán)不完全規(guī)則、對稱，橢圓一端存在畸變，而且干涉條紋也不清晰。對于#3晶體，當沿+x方向加電時，橢圓干涉環(huán)形狀不規(guī)則，左上部分對稱軸沿著45°方向，而右下部分對稱軸偏離了45°。沿-x方向加電時，雖然橢圓干涉環(huán)對稱軸基本仍沿著45°方向，但橢圓一端存在畸變。

另外，實驗中還發(fā)現(xiàn)，對于錐光干涉環(huán)扭曲比較嚴重的晶體，在整個通光口徑內(nèi)，各處的干涉圖樣差異也較大，如圖6為#2晶體通光口徑內(nèi)差異較大的兩處錐光干涉圖樣，雖然干涉環(huán)都是比較規(guī)則的橢圓，但橢圓對稱軸相對45°方向偏離的程度明顯不同。而對于漏光量很小、干涉圖樣和理論比較吻合的晶體而言，通光口徑內(nèi)各處的干涉圖樣基本一致。為討論方便，將上述現(xiàn)象稱為電光不均勻性。對于不同的調(diào)Q開關(guān)，裝配及施加電場的方式是相同的，而且采用鍍制Ti/Au膜并用金屬片引出電極的方式，能夠保證晶體內(nèi)部有效通光區(qū)域內(nèi)施加的電場是均勻的，由此可見，電光不均勻性并不是外加電場不均勻造成的，而和晶體自身有關(guān)，引起電光不均勻性的因素尚需進一步探究。

通過比較各晶體的漏光量和加電錐光干涉圖樣可以看出，漏光量的大小和電光不均勻性程度具有很好的一致性。因此，綜合以上分析可以得出，加電場后，感應(yīng)主軸偏離45°、通光截面內(nèi)各處感應(yīng)雙折射不一致是造成漏光的主要原因。對于不同的晶體，電光不均勻性程度不同，因此開關(guān)性能也不一致。

3 結(jié) 論

通過實驗篩選出了退壓式電光調(diào)Q性能差異較大的LN晶體，在理論分析的基礎(chǔ)上，利用X射線定向儀、錐光干涉法等手段對各個可能的影響因素進行了標定，首次發(fā)現(xiàn)了LN晶體的電光不均勻性，即外加電場后，電感應(yīng)主軸偏離理論方向，截面各處的感應(yīng)雙折射不一致。通過對比分析各晶體的軸向偏差、靜態(tài)光學均勻性和電光不均勻性，并與漏光情況作對比，證實了電光不均勻性是造成退壓式調(diào)Q時漏光、各開關(guān)性能不一致的主要原因。