2.7 μm聲光調(diào)Q器件

張澤紅，陳 國，何曉亮，王曉新

(1. 中國電子科技集團(tuán)公司 第二十六研究所，重慶 400060;2. 中國電子科技集團(tuán)公司 第十一研究所, 北京 100015)

0 引言

2.7 μm激光在激光醫(yī)療、紅外抽運、激光光譜學(xué)及紅外對抗等領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用前景。目前2.7 μm激光器中常用的聲光Q開關(guān)用氧化碲晶體材料制作[1]。氧化碲晶體的聲光優(yōu)值較高，光吸收很小，但抗激光損傷能力較差，易被高功率脈沖激光打壞[2]。

本文介紹了一種基于鈮酸鋰(LiNbO3，LN)晶體材料制作的2.7 μm聲光Q開關(guān)。與氧化碲晶體相比，LiNbO3晶體的聲光優(yōu)值較低，需要使用更高的驅(qū)動電功率，但LiNbO3晶體的抗激光損傷能力較高[3]，能較好地解決高功率2.7 μm激光器的調(diào)Q問題。

1 聲光材料特性

2.7 μm聲光Q開關(guān)是用于激光腔內(nèi)的光學(xué)元件，若要長期在高功率的激光下穩(wěn)定工作，必須選用聲光性能穩(wěn)定、純度高、吸收小及損傷閾值高的聲光介質(zhì)。

常用的近紅外聲光材料有紅外熔石英、石英晶體、氧化碲晶體和LiNbO3晶體。紅外熔石英和石英晶體在2.7 μm波長存在較大的光吸收，如圖1、2 所示，不適合制作2.7 μm聲光Q開關(guān)。

圖1 紅外熔石英(35 mm長)透過率曲線

圖2 石英晶體(35 mm長)透過率曲線

氧化碲晶體屬于422點群四方晶系,密度為5 990 kg/m3，透光區(qū)為0.35～5 μm，在波長2.7 μm處無吸收(見圖3)，且聲光優(yōu)值較高(35×10-15s3/kg)，可用于制作2.7 μm聲光Q開關(guān)。美國Brimrose公司、英國Gooch & Housego公司及中國電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所都使用氧化碲晶體開發(fā)了2.7 μm波段的聲光Q開關(guān)。此2.7 μm聲光Q開關(guān)適合小功率激光器，但在大功率激光器內(nèi)調(diào)Q時易出現(xiàn)激光打壞通光面的現(xiàn)象，無法滿足整機(jī)單位的高功率激光調(diào)Q要求。

圖3 氧化碲晶體(35 mm長)透過率曲線

LN晶體具有良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性,是常用的電光晶體材料，與氧化碲晶體相比，其聲光優(yōu)值較低(7×10-15s3/kg)，需要使用更高的驅(qū)動電功率。在1.064 μm波段，LiNbO3晶體的損傷閾值約為200 MW/cm2,氧化碲晶體的損傷閾值約為50 MW/cm2,顯然LN晶體的損傷閾值更高。LN晶體透過率曲線如圖4所示。由圖可見，LN晶體材料在2.7 μm沒有吸收，可用于制作2.7 μm聲光Q開關(guān)。

圖4 LN晶體(35mm長)透過率曲線

LN晶體是一種很特別的晶體材料，內(nèi)部存在鋰空位和反位鈮兩種本征缺陷，能容納大量外來雜質(zhì)(如鎂、鉿、鋯、鐵、銅、錳、鈰、鋅、銦、鈧等)。文獻(xiàn)[4-5]報道，摻雜能提高材料的抗激光損傷能力。3次摻雜3%～5% MgO(摩爾質(zhì)量)的LN晶體發(fā)現(xiàn)，摻鎂LN晶體內(nèi)部存在大量的生長條紋,嚴(yán)重影響了晶體的光學(xué)均勻性，即使優(yōu)選出沒有明顯條紋的晶體也存在惡化激光模式，發(fā)生光斑畸變的問題，如圖5所示。測試輸入光波長為633 nm時，光束質(zhì)量因子M2的x、y分量值分別為1.001、1.012。經(jīng)過摻鎂LN晶體后，M2的x、y分量值分別為1.188、1.244。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是鎂在LN晶體中的分凝系數(shù)大于1,導(dǎo)致?lián)芥VLN晶體在生長過程中的分凝現(xiàn)象嚴(yán)重。

圖5 激光穿過摻鎂LN晶體后的模式

無摻雜的高純LN晶體不會發(fā)生惡化激光模式的現(xiàn)象，激光穿過高純LN晶體后的光斑如圖6所示。由圖可知，M2的x、y分量值未發(fā)生明顯變化，因此，2.7 μm聲光調(diào)Q器件選用高純LN晶體作為聲光介質(zhì)材料。

圖6 激光穿過高純LN晶體后的模式

2 衍射效率

衍射效率是表征聲光Q開關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，對激光器的調(diào)Q性能具有決定性的作用。根據(jù)聲光互作用理論，通常驅(qū)動功率越高，聲光Q開關(guān)的衍射效率越高，但應(yīng)用中功耗越低越好，因此需根據(jù)激光器的特性合理設(shè)計聲光Q開關(guān)的超聲波聲場分布，充分利用超聲能量，以小驅(qū)動電功率得到高衍射效率。

好的激光器能量一般都按照高斯分布設(shè)計(見圖7)。由圖可知，光束中心部位能量高，兩邊能量低。根據(jù)激光器的調(diào)Q理論，關(guān)斷激光的衍射效率也是中心部位高，兩邊低。因此，需把聲光Q開關(guān)的表電極按菱形設(shè)計。如圖8所示，表電極中心部位對應(yīng)通光孔徑D1=3 mm，表電極兩端的尺寸D2=1.3 mm，表電極長度(聲光互作用長度)L=28 mm。根據(jù)聲光互作用理論[6]，衍射效率與L成正比。因此，通光孔中心部位L較長，衍射效率較高；通光孔兩邊L較短，衍射效率較低，能較好地符合高斯分布的激光特性，達(dá)到既能將激光關(guān)斷，又能降低驅(qū)動電功率的目的。

圖7 高斯分布的激光

圖8 表電極與衍射效率

2.7 μm聲光調(diào)Q器件的工作頻率f=40.68 MHz，L=28 mm，D1=3 mm，在電功率為40 W時，通光孔中心部位的衍射效率可達(dá)75%，測試光的偏振態(tài)為豎直偏振光。如果D1范圍都要求達(dá)到中心部位的衍射效率，驅(qū)動功率還需提高40%，而通光孔兩邊的激光功率較弱，較高的衍射效率不能完全發(fā)揮作用，浪費了驅(qū)動功率。因此，采用高斯型分布衍射效率，能達(dá)到降低驅(qū)動功率、提高關(guān)斷激光能力的目的。

3 調(diào)Q實驗

2.7 μm聲光調(diào)Q器件通光面鍍的是窄帶增透膜，在波長2.7～2.8 μm內(nèi)器件的透過率均大于98.3%，可用于2.7μm激光器，也可用于2.79 μm激光器。使用時，2.7 μm聲光調(diào)Q器件安裝在激光腔內(nèi)，根據(jù)驅(qū)動器信號控制激光腔Q值，產(chǎn)生脈沖激光，如圖9所示。激光腔內(nèi)Q值與衍射效率的關(guān)系為

圖9 聲光Q開關(guān)應(yīng)用示意圖

(1)

從式(1)可見，衍射效率與激光腔內(nèi)Q值成反比，衍射效率越高，改變激光腔Q值的能力越強(qiáng)，要關(guān)斷高功率的激光須有高的衍射效率。

在泵浦功率為 400 W 時，激光器輸出2.79 μm連續(xù)激光23.9 W。聲光Q開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)時剩余激光功率小于1 W，達(dá)到了關(guān)斷激光的目的。調(diào)Q激光脈沖的半峰全寬(FWHM)為 59.9 ns(見圖10)，器件能長時間穩(wěn)定工作，未出現(xiàn)激光損壞的情況。而氧化碲制作的聲光Q開關(guān)只能承受小于10 W的激光，激光功率再增加，氧化碲通光面易被激光損壞，因此，LN晶體制作的聲光Q開關(guān)的抗損傷閾值更高，能滿足更高功率激光器的調(diào)Q問題。

圖10 激光調(diào)Q脈沖

4 結(jié)束語

鈮酸鋰晶體光學(xué)性能較好，與氧化碲相比，抗激光損傷能力提高，但其聲光優(yōu)值較低。為了彌補(bǔ)聲光優(yōu)值較低的缺陷，充分利用驅(qū)動電信號的能量，采用菱形表電極設(shè)計，使通光孔中心部位互作用長度較長，衍射效率較高；通光孔兩邊互作用長度較短，衍射效率較低，較好地滿足了高斯型能量分布激光器的調(diào)Q要求。但這種聲光調(diào)Q器件的透過率不高，可能是鈮酸鋰晶體及鍍膜材料中羥基(OH-)未完全去除，羥基(OH-)吸收了激光。