（光学工程专业论文）磷酸钛氧铷电光调q激光器的特性研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 r t p ( r b t i o p 0 4 ，磷酸钛氧铷) 晶体是新颖的高频调制电光材料，拥有大电光系 数、高抗光伤阈值、极好的化学稳定性、高电阻率、低压电效应秘不易潮解等优 良特性，可广泛应用于电光调制、脉冲整形和激光内腔调q 等激光技术领域。 d k d p ( k d ：p o , ，磷酸二氘钾) 、l n ( l i n 仉，铌酸锂) 等传统电光开关因自身的缺陷并 不适用于高重复率环境，而新型电光晶体r t p 则能克服传统晶体难以解决的易潮 解、激光损伤阈值低和高频压电效应等问题，并能在高达几删z 范围内实现稳定 调q 运转。与可以用于高频电光调q 的b b o ( b a b 舢，偏硼酸钡) 晶体相比，r t p 所 需驱动电压即半波电压要低很多，这在很大程度上减轻了设计高压高频驱动电源 的复杂程度，降低了成本，使得r t p 电光开关成为在商业化生产方面取代b b o 电 光开关的首选器件。与同族k t p ( k t i o p 0 。，磷酸钛氧钾) 电光晶体相比，r t p 晶体 可采用晶体生长行业已臻成熟的方法生长，打破了生长低电导率k t p 晶体需要技 术含量高、设备先进的颈瓶，得到比水热法生长的k t p 晶体电导率更低的r t p 晶 体，并且电光系数更大，工作频率更高，可以做成体积小、结构紧凑的电光开关。 然而到目前为止，关于r t p 电光开关的性能特点及其在固体激光器中调q 特 性方面的研究报道还很少，鲜有对r t p 开关与传统电光和声光开关的比较文章， 这使得广大科研人员对r t p 优良的电光特性不能有清晰而具体的了解，阻碍了 r t p 光开关从实验研究转向工业应用的步伐。 本文从分析电光开关的特性要素消光比要素开始，对r t p 光开关在 n d ：y a g 固体激光器中调q 和调q 倍频特性进行了理论分析和实验研究，主要内 容如下： ( 1 ) 分析了影响双块r t p 晶体组成的电光开关的消光比的各个因素，通过采用 双轴晶体的折射率椭球分析方法，逐一分析了入射光注入取向、两块晶体 通光取向、两块晶体所加电场取向和偏振器件偏振取向对电光开关消光比 的影响。实验得出两块晶体通光取向对消光比影响最大和偏振器件透振取 向影响次之等结论，该结论对快速有效地调节类似r t p 双晶体运用的电光 v i 山东大学硕士学位论文 开关有非常重要的指导意义。 ( 2 ) 在不同输出镜透过率下，测量了r t p 开关在氙灯泵浦的n d ：y a g 激光器中 高频调q 的输出特性，并与l n 调q 激光输出特性相比较，得出在高重复率 情况下，r t p 调q 效果要优于l n 调q 的结论。采用平面波近似的速率方程 理论，数值求解r t p 单调q 激光器的输出特性，理论模型与实验结论吻合 较好 ( 3 ) 在r t p 单调的基础上加入k t p 倍频晶体，利用k t p 优良的倍频特性得到高 能量的脉冲绿光输出，同时还测量了声光调q 、k t p 倍频绿光输出特性并与 r t p 调q 时情况相比较，得出高频工作状态时( 2 0 k h z ) r t p 电光调q 要明显 优于声光调q 的结论采用平面波近似和倍频转换的非线性损耗近似，利 用速率方程理论模拟r t p 调q 、k t p 倍频绿光输出特性，其结论与实验结果 有较好的一致性。 论文的主要创新点； ( 1 )首次从理论上给出了影响r t p 电光开关消光比的决定性因素，对r t p 高速 电光开关在实用中的准确装配调节具有指导意义。 ( 2 )实现了r t p 电光开关在氙灯泵浦n d ：y a g 激光器中的高重复率调q 运转，在 1 4 k h z - 5 0 k h z 范围内实现了高重复率连续可调。 ( 3 )实现了在高频领域的r t p 调q 、k t p 倍频绿光输出，各项主要指标均优于常 用声光调q 倍频输出。 关键词：调q 技术；电光调q ；r t p 晶体；高重复率；消光比 v h 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t r t pe l e c t r o o p t i cc r y s t a li san o v e le l e c t r o o p t i cm a t e r i a la n di s s u i t a b l ef o ru s ea sm o d u l a t o ri nh i g hf r e q u e n c yf i e l d r t ph a sm a n y e x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sl a r g ee l e c t r o o p t i cc o e f f i c i e n t s ，h i g h d a m a g et h r e s h o l d ，g o o d c h e m i c a l s t a b i l i t y ，h i g hr e s i s t i v i t y ，l o w p i e z o e l e c t r i ce f f e c ta n dn o n - h y g r o s c o p i c i t ye t c i tc a nt h u sb eu t i l i z e d i ne l e c t r o - o p t i cm o d u l a t i o n ，p u l s es h a p i n ga n di n t r a c a v i t yq - s w i t c h i n g i nl a s e rc a v i t y t h et r a d i t i o n a le l e c t r o o p t i cc r y s t a l ss u c ha sl na n d d k d pa r en o ta p p l l e df o rh i g hr e pr a t es i t u a t i o nb e c a u s eo ft h e i r s e l f - 1 i m i t a t i o n b u tn o v e le l e c t r o o p t i cc r y s t a l 翮甲c a nb ee a s i l y o p e r a t e di nh i g hf r e q u e n c yr a n g e c o m p a r e dw i t hb b oc r y s t a lw h i c ha l s o c a nb eu s e da sh i g hr e pr a t em o d u l a t o r ，r t ps w i t c hn e e d sl o w e rh a l f l a v e o rq u a r t e r w a v ev o l t a g es o a st od e c r e a s et h ec o s t so fp r o d u c i n gh i g h f r e q u e n c ya n dh i g hv o l t a g ed r i v e r c o m p a r e dw i t hk t pc r y s t a lw h i c hi sa n i s o m o r p h i cc o m p o u n do fr t pc r y s t a l r t pc a nb ep r o d u c e db ys k i l l e dm e t h o d w h i c hc a nb r e a kt h eo b s t a c l eo fl o wr e s i s t i v i t yo fk t p h o w e v e rn o w ，t h e r ea r ef e wr e p o r t so nr t pq - s w i t c h e ds o l i dl a s e ra n d e v e nf e w e rp a p e r sp u b l i s h e do nt h ed e v e l o p m e n t so fi 玎pe l e c t r o - o p t i c s w i t c h e si nh i g hr e pr a t er e g i o m i nt h i st h e s i s ，i tb e g i n sw i t ht h ea n a l y s e so fe x t i n c t i o nr a t i oo f r t ps w i t c h ，t h e ng i v e st h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s e s o ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fr t p 口一s w i t c h i n gn d ：y a gl a s e ra n df i n a l l ys h o w s t h ep e r f o r m a n c eo fr t pq - s w i t c h i n gk t pf r e q u n c y d o u b l i n gn d ：y a gl a s e r t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w i n g ( 1 ) t h et h e s i sa n a l y s e st h ep r i n c i p a lf a c t o r st h a to b v i o u s l yi m p a c tt h e e x t i n c t i o nr a t i oo fe l e c t r o o p t i cs w i t c hs t r u c t u r e d - i t hd o u b l e c r y s t a l s b ya d o p t i n gr e f r a c t i v i t ye 1 1 i p s o i dm e t h o d ，t h ea n g l e s b e t w e e nt h ei n c i d e n t1i g h tp a s s i n gt h r o u g hc r y s t a l sa n dt h ec r y s t a l xa x e s t h ed i r e c t i o n so ft h ea p p l i e de l e c t r i cf i e l d so nza x e so f d o u b l ec r y s t a l s ，t h ea n g l e sb e t w e e nt h exa x e so fd o u b l ec r y s t a l sa n d t h ep o l a r i z a t i o nd i r e c t i o no fp o l a r i z e r sa l lo fw h i c hp r o b a b l yh a v e i m p o r t a n te f f e c t so nt h ee x t i n c t i o nr a t i oo ft h ee 一0q - s w i t c hw e r e c o n s i d e r e d i ti sf i n a l l yf o u n dt h a tt h ee f f e c t so ft h ed i r e c t i o i l s o ft h exa x e so fd o u b l ec r y s t a l sa n dt h ep o l a r i z a t i o nd i r e c t i o n so f p o l a r i z e r so ne x t i n c t i o nr a t i oa r em o r eo b v i o u s t h er e s u l t s 霄i 1 1b e u s e f u lt op r e c i s e l ya s s e m b l ea n df a s ta d j u s tt h ee l e c t r o o p t i cs w i t c h ( 2 ) w i t hd i f f e r e n tt r a n s m i t so i o u t p u tm i r r o r ，t h eo u t p u tp r o p e r t i e so f r t pq - s wit c h e dy a gla s e riso b t a in e da n dt h ee x p e rim e n t alr e s u lt sa r e v i i i 山东大学硕士学位论文 t j ；目；j 目= ；| 目i ；| = 目j i i ；j 目目j = ；自；# | ；t | 日，自j 目i 目薯i = ；目目目| j c o m p a r e db e t w e e nr t pq - s w i t c h e dl a s e ra n dl nq - s w i t c h e dl a s e r i t c o n c l u d e st h a tt h ep e r f o r m a n c eo fr t pq s w i t c h e dl a s e ri so b v i o u s l y b e t t e rt h a nt h a to f l no _ s w i t c h e d t h ep l a n ew a v ea p p r o x i m a t e r a t e e q u a t i o ni sa d o p t e dt on u m e r i c a l l yc a l c u l a t et h eo u t p u t p r o p e r t i e so fi 玎pq - s w i t c h e dl a s e ra n dt h ea n a l y s e sa r ew e l1a c c o r d i n g w i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ( 3 ) t h eo u t p u tp r o p e r t i e so fr t pq s w i t c h e dk t pf r e q u e n c y d o u b li n gn d ：y a g l a s e ra r et o t a l l ym e a s u r e d t h ep r o p e r t i e so fg r e e n1 i g h to fr t p o - s w i t c h e dk t pf r e q u e n c y d o u b l i n gl a s e ra n dt h o s eo fa c o u s t o o p t i c q - s w i t c h e dk t pf r e q u e n c y d o u b l i n gl a s e ra r ea l s oc o m p a r e da n di t c o n c l u d e st h a tr t pq s w i t c h e dk t pf r e q u e n c y - d o u b l i n gl a s e rw o r k s b e t t e r t h er a t e e q u a t i o n ss u i t a b l ef o re l e c t r o o p t i cq - s w i t c h e d f r e q u e n c y d o u b l i n ga r ea l s og i v e na n dt h ea n a l y t i c a lc o n c l u s i o n sa r e w e l li na c c o r d a n c ew i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h em a i nc r e a t i v ep o i n t so ft h i st h e s i sa r e ： ( 1 ) a tt h ef i r s tt i m e ，t h ea n a l y s e so fe f f e c t so ff a c t o r so ne x t i n c t i o n r a t i oo fd o u b l ec r y s t a ls w i t c ha r eg i v e n t h i sc a nb ev e r yu s e f u lt o p r e c i s e l ya s s e m b l ea n df a s ta d j u s tt h ee l e c t r o - o p t i c a ls w i t c hw i t h d o u b l ec r y s t a l s ( 2 ) t h er u no fr t pq - s w i t c h e dy a gl a s e rw i t hf l a s h l a m pp u m p i n gi sr e a l i z e d i tc a nb et u n a b l ei nal a r g ef r e q u e n c yr a n g ef r o m1 4 k h zt o5 0 k h z ( 3 ) t h er u no fr t pq - s w i t c h e dk t pf r e q u e n c y d o u b l i n gy a gl a s e ri sa l s o r e a l i z e d t h em a i np e r f o r m a n c e so ft h ea b o v el a s e ra r es u p e r i o rt o a c o u s t o o p t i cq - s w i t c h e df r e q u e n c y d o u b l i n gl a s e r k e yw o r d s ：o - s w i t c h i n gt e c h n i q u e ；e l e c t r o - o p t i co - s w i t c h i n g ；r t pc r y s t a l ： h i g hr e p e t i t i o n ：e x t i n c t i o nr a t i o 山东大学硕士学位论文 x 符号说明 电光晶体消光比 输出经透过率 电光开关关闭时单程损耗 电光开关打开时单程损耗 腔内光子数密度 反转粒子数密度 受激发射截面 激光晶体的长度 激光在腔内的往返时间 腔内光子数寿命 谐振腔的长度 电光开关的有效通光长度 布如斯特窗的有效厚度 激光晶体的折射率 电光晶体的折射率 布如斯特窗的折射率 真空中的光速 输出镜反射率 谐振腔本征损耗 初始反转粒子数 泵浦常数 电光开关调q 重复率 r m r 瓯 瓯 厅 盯 ， t 工 岛 嘶 c 足 k 厂 山东大学硕士学位论文 泵浦脉冲持续宽度 激光上能级寿命 脉冲氙灯泵浦能量 贮能电容 氙灯电极两端电压 k t p 晶体的长度 基频光的角频率 有效的非线性转化系数 真空中的介电常数 二次谐波折射率 基波。光折射率 基波f l 光的折射率 基波在k t p 处的横截面积 基横模在k t p 处的半径 基频光单光子能量 普朗克常数 谐振腔的光学长度 ， o q c u 国 岛 矿 疗 醪 4 胁 厶 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：丝盘 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：叠臣磊导师签名： 山东大学硕士学位论文 第一章前言 随着广泛应用于国民生产和工业领域的激光器由笨重、低效、操作复杂到精 细、节能、智能化的不断发展，激光调q 技术也经历了由传统机械调q 、被动 染料调q 到声光调q 、电光调q 等基于新技术和新材料的调q 方式的蓬勃发展 1 1 激光调q 技术的发展 早在1 9 6 0 年第一台红宝石激光问世不久，1 9 6 1 年就有人提出了调q 概念l ， 即设想采用一种方法调节激光腔内的损耗，把一段时间内的泵浦能储蓄在激光晶 体中，然后短时间内集中释放出，从而产生脉宽极窄而峰值功率极高的光脉冲 1 9 6 2 年，第一台调q 激光器被制成，其输出峰值功率为6 0 0 千瓦，脉冲宽度为 l o o n s 量级。随后的几年，调q 技术发展得很快，出现了多种调q 方法( 如电光 调q 1 2 1 ( 3 1 ( 4 | 、声光调q 1 5 1 1 6 、可饱和吸收调q i ? l s ) 9 ) 1 10 1 等) ，输出功率几乎星直线上 升，脉宽压缩也取得了很大进展到了8 0 年代，调q 技术产生脉宽为纳秒( n s ) 量级，峰值功率为千兆瓦( g w ) 量级的巨脉冲已并非困难。调q 技术的出现是激 光发展史上的一个重大突破，它不仅大大推动了在工业和医疗卫生领域大量存在 的激光加工和激光医疗等应用技术的发展，而且成为科学研究的有力工具。 目前调q 技术的种类已经非常繁多如果按照控制方式来分，可分为被动调 q 和主动调q 两大类： 1 1 1 被动调a 根据某些物质对入射光有强烈的非线性吸收效应而制成的可饱和吸收体，将 其作为损耗片来调节激光谐振腔q 值的开关技术。饱和吸收体有着低成本、体 积小、操作方便等优点被广泛用来产生纳秒量级、高重复率的脉冲串。目前主要 有染料调q h 】、色心晶体调q 【1 2 1 、c r ：y a g 饱和吸收体调q t 3 1 和半导体材料g a 触 山东大学硕士学位论文 调q t 1 等。 虽然被动调q 有着上述的很多优点，但其脉冲重复率不可控，随着泵浦能 量的变化而有较大的波动，而且输出单脉冲能量一般为uj 量级。无法满足对重 复率有精确要求且需要高峰值输出功率的场合。这时就要采用主动调q 方式代替 被动调q 以弥补被动调q 的不足之处。 1 1 。2 主动调口 谐振腔内损耗的改变完全由外部驱动源控制，与腔内激光的强弱和泵浦能量 的大小无关。常用的主动调q 技术包括机械调q 技术、声光调q 技术和电光调q 技术等。 1 2 1 机械调口技术 第一台机械q 开关是由开有一个通光孔的旋转叠片构成嗍，这种方法不久就 被抛弃，取而代之的是开关频率比旋转叠片法更高的转镜或旋转棱镜l 旧。有一种 机械调q 方式将谐振腔的反射镜安装在以机械谐振频率驱动的扭曲棒的一端1 1 7 1 ， 利用反射镜的瞬时移动就可以改变谐振腔的q 值。还有一种技术是由两个平板 法布里珀罗谐振腔替代激光谐振腔的输出镜，用压电换能器调解两板之间的距 离，就能使器件的透射峰值转变为反射峰值l l 以实现腔内损耗的改变另一种技 术利用的是受抑制的全内反射1 1 9 1 ，利用压电换能器改交屋脊棱镜和第二个棱镜之 阃的距离，如果两个棱镜都处于屋脊棱镜表面反射出的一个波长的范围内，就将 抑制全内反射，因而屋脊棱镜的入射光被透射而不是被反射，这样就实现了激光 的输出。 在所有的机械调q 开关中，最常用的是转镜q 开关。基本结构为电机驱动的 镜面或者棱镜，利用电机的高速旋转产生谐振腔损耗的周期性变化，当镜面或棱 镜旋转到与另一端镜面或棱镜平行时实现激光输出。转镜q 开关结构较为简单， 成本也不高，它们对偏振不灵敏，因而对双折射效应两不灵敏，所以在一定条 孛 下，机械q 开关激光输出的能量大于电光q 丌关激光器的输出能量。但是机械 山东大学硕士学位论文 q 开关通过机械振动实现调q 运转，调q 重复率较低，并且受到发射多脉冲趋 向的影响，噪声也大，其轴承的寿命较短，所以需要经常维修。 1 1 2 2 声光调0 技术 声光调q 技术的基础理论为电声转换和声光效应。当超声波入射到一块通常 为熔融石英的透明光学材料时，材料的弹光效应将超声波的调制应变场耦合到光 学折射率上1 2 0 - 2 5 1 ，实现折射率的周期性变化，这时材料就相当于光学相位光栅， 光栅周期与声波的波长相一致。入射到光学材料上的光被光栅衍射，部分透射光 偏离原传播方向，实现谐振腔的高损，激光晶体在此期间不断积累能量；当超声 波逝去时，谐振腔重新变为低损，产生激光输出。选择适当的参量，就能使衍射 光束较大程度地偏离出激光谐振腔，从而产生较佳的声光调q 效果。 现在声光调q 开关已经完全商用化，调q 重复率可达到几十k h _ z 甚至上百 l ( 1 z ，不过声光开关利用光线偏折原理不可能把入射光完全阻挡住，因而单程消 光比很低，一般小于l o ，所以声光开关不能运用在高增益大功率激光器中。 1 2 3 电光调o 技术 利用晶体或液体的电光效应，可以设计出调制速率非常快的电控光闸又称电 光开关。这种光闸的关键部件是电光元件，它受到外电场作用时具有双折射特性， 双折射以两个正交方向即所谓的“快”、“慢”轴向表征，这两个轴向具有不同的 折射率。光束在入射到晶体通光表面时与这些轴成4 5 。夹角，并垂直于“快”慢” 轴构成的平面，光在晶体中传播时分解成方向相同但速度不同的两正交分量。正 是因为光在“快”轴和“慢”轴方向偏振所对应折射率的不同，才使得光通过晶 体后两正交分量之间产生相位差。相位差的产生把原来在平面内振动的线偏振光 变成在空间内振动的椭圆偏振光，当然根据所加电压的大小不同会合成不同形状 的偏振光，如圆偏振光或线偏振光。对于q 开关运转，只有引起 4 和x 1 2 延 迟的两种特殊电压才是所感兴趣的，在 4 延迟时，入射的线偏振光通过电光盒 之后变成圆偏振光；在 2 延迟时，输出光束是线偏振的，但是偏振面旋转了 山东大学硕士学位论文 9 0 。在电光晶体的后端放置检偏器以实现对光的通断控制，当通过晶体后的合 成光偏振方向与检偏器的透振方向垂直时，光线被阻挡，谐振腔呈高损状态；反 之，当平行时，光线完全通过，产生激光振荡。 常用电光开关利用晶体的p o c k e t 电光效应瞄】又称线性电光效应，即在外加 电场作用下，通过线性电光效应改变晶体的折射率，以此调节谐振腔内的q 值。 也有利用k e r r 电光效应l i p - - 阶电光效应做成电光开关，这种开关的材料通常为 液态电光晶体。电光开关的主要特点是发生“开关动作”的驰豫时间很短并且消 光比很高，用这种开关做成的调q 激光器可获得脉冲宽度极窄，峰值功率极高， 输出频率稳定的巨脉冲。传统电光开关( l n 、d k d p 等) 的工作重复率很低，一般 低于1 k h z ，很难满足目前科研中对高重复率脉冲串的要求。值得庆幸的是，一 些相对较新的电光晶体( b b o 、k t p 、r t p 等) 的不断涌现，使获得工作在远大于 1 k h z 频率范围的开关的希望不再仅仅是奢望。 1 2 电光晶体的特性简介 1 2 1l n 电光晶体 自1 9 6 5 年b a l l m a n 利用c z o c h r a l s k i 方法成功生长l n ( l i n 0 3 铌酸锂) 晶体 以来，l n 晶体以优良的非线性光学效应、电光效应、压电效应和光折变效应被 广泛用于激光调制器、激光倍频器、光学开关、光参量放大器、高频带宽滤波器 和超大容量存储器件等工业产品和科研仪器中。目前存在多种生长近化学计量比 l n 晶体的方法，包括气相交换平衡法，双坩埚提拉法，助溶剂提拉法等。 铁电相铌酸锂的结构属3 m 点群，顺电相结构属j m 点群，熔点为( 1 2 4 0 士5 ) ，密度为4 7 0 xi 0 3 k g m 3 ，莫氏硬度为6 。l n 晶体电光系数的典型数值( 在 波长为6 3 2 8 r i m 的h e n e 激光照射下) 为：r 3 3 - - 31 ，1 3 l = 9 ，r 2 2 = 3 4 。其光学透过率波 段从3 7 0 h m 开始延伸至5 0 0 0 n m ，涵盖了可见光和近红外区域，在整个通光平面内 都具有极佳的光学均匀性。当采用单块l n 晶体做成电光开关时，一般沿晶体的z 轴( 光轴) 方向通光，x 轴方向加电场，配置方案如图1 1 所示。这种方案的好处在 于可以通过增加晶体通光方向长度和压缩电场方向厚以降低所需半波电压。 4 山东大学硕士学位论文 然而，l n 晶体虽然具有生长方式多样、光学均匀性高、横向运用半波电压低、 不易潮解等优点，但其光学破坏阀值低1 2 7 1 ，存在较大的压电效应 2 8 1 ，限制了其 在高功率高重复率激光系统中的应用。 1 2 2k d p 电光晶体 图1 1l n 电光开关示意图 f 培1 is c h e m eo f l ne o - s w i t c h k d p ( 1 ( h ：1 0 4 ，磷酸二氢钾) 晶体是最早被人们所认识的电光晶体之一，这种材 料是类似同构化合物m y 2 x 0 4 的典型代表，其中m 可以是k 、n l - 1 4 ( a ) 、r b 、c s 等， y 可以是h 或d ，x 则为p 或a s 。这一晶族中普遍使用的是k d p 和a d p 0 q h 4 h 2 p 0 4 ， 磷酸二氢铵) ，当然也有含重氢的相似体d k d p ( k d 2 p 0 4 ，磷酸二氘钾) 和 d a d p ( n h 4 d 2 p 0 4 ，磷酸二氘铵) 。随着激光熔接等新应用的发展，生长k d p 类晶 体的技术也在不断被改良，事实证明，通过新方法生长出尺寸达5 7 x 5 7 5 5 c m 3 高质量的k d p 和d k d p 晶体已经成为可能。虽然该方法会在晶体快速生长过程中 因混入容器材料杂质而产生晶体不纯的现象，但是可以通过适当地选择动力参数 来解决这一问题。 d k d p 晶体为单轴晶，属于四方晶系，有效电光系数为2 3 6 p m v 。水溶液生 长的d k d p 晶体具有非常好的光学均匀性，用它做成的电光开关具有高消光比( 一 般单块：d k d p 晶体消光比 1 0 0 0 ) 。d k d p 晶体很容易生长成较大体积 2 9 1 ，这对于 激光诱导核聚变等需要大块电光晶体的领域非常有利。d k d p 型普克尔盒主要用 在外加电场方向与光束传播方向平行的纵向电光调q 装置中，这种结构使得晶体 的电光系数矩阵中只有一项与半波电压有关，并且此时半波电压的大小不受 山东大学硕士学位论文 晶体尺寸的影响，示意图如图1 2 所示。 d k d p 电光开关的主要缺点：只能纵向电光运用，半波电压幅对较高：大尺 寸大介电常数的晶体，电容较大( 小于1 0 p f ) ，开关弛豫时间较长：易潮解，使 用时需要密封，且需要在两端窗口片上镀增透膜和灌入折射率匹配液体，增加了 器件的插入损耗。 1 2 3b b 0 电光晶体 图1 2d i 【) p 电光开关示意图 f i g 1 2s c h e m eo f d k d p e o - s w i t c h b b o ( b a b 2 0 4 ，偏硼酸钡) 晶体是一种新型的非线性电光材料，常用于紫外倍 频和高频电光开关。低温相变b b o ( 1 0 k h z ) 电光丌关的驱动电源仍然很困难。 另外，如何生长出大尺寸高质量的b b o 晶体也是个难点。影响大尺寸b b o 6 山东大学硕士学位论文 制备的因素有很多，包括助熔剂的选择、溶液轴向温度梯度、晶体转速、降温速 度、籽晶方向、晶体缺陷分布等。 1 2 4k i p 电光晶体 k t p ( k t i o p 0 4 ，磷酸钛氧钾) 是一种综合性能十分优良的非线性光学晶体材 料，它被广泛应用于激光倍频、光参量振荡、电光调制与偏转、电光q 开关等 许多领域，并且在集成光学方面有着极大的潜在应用价值。 1 9 7 4 年，i t o r d j m a n 和m a s s e 等人首先测定了k t p 的晶体结构k t p 晶体 为双轴晶，属于低级晶族斜方晶系它具有大的有效非线性系数，在绿光倍频方 面有着非常广泛的应用，并且常用作输出1 5 7 3 n m 人眼安全激光的参量振荡晶体。 沿x 轴生长的k t p 晶体，在y 轴和z 轴所确定的平面上具有良好的光学均匀性， 虽然该方向有效电光系数较小，却仍可以被用来制作大孔径的普克尔盒。沿y 轴 生长的k t p 晶体，具有较大的有效电光系数，可以获得较低的半波电压，特别 适合于窄光束宽波长激光器中调q 使用。因k t p 晶体具有大的有效电光系数 3 3 3 4 1 3 5 1 ，在很宽的频率范围内没有压电环效应，具有高抗光伤阙值，所以成为 高重复率电光开关的候选晶体之一。 然而商业化生产的k t p 晶体利用熔盐法生长，晶体的电阻率很低阴。往往 在电压还未达到半波电压时，晶体就因通过电流过大而发黑损坏。为解决该难题， 提出了高温水热法，生长出的k t p 晶体具有较高电阻率p 7 1 但这种方法生长出 来的晶体尺寸较小且成本很高，难以大规模生产 1 2 5r t p 电光晶体 r t p ( r b t i o p 0 4 ，磷酸钛氧铷) 晶体属于晶型结构为m t i o x 0 4 晶族，是优良 的铁电非线性光学与电光晶体。其中m 代表k ，r b ，c s 或者1 1 元素之一，x 代表 p 或a s 元素之一1 3 5 1 。因具有大电光系数，高损伤阈值和不存在压电环，r t p 晶 体成为工作在高频电光调q 和光调制领域内非常有用的材料【3 s l 。研究表明，k t p 家族的离子电导率与k ，r b 等离子沿晶体框架结构中z 轴通道方向的滑动有关 7 山东大学硕士学位论文 【3 9 】，因为r b 原子半径比k 原子要大，所以在晶体中r b 原子受高压电场的作用 发生的漂移现象要比k 原子弱很多。熔盐法生长的r t p 晶体，其电阻率一般都 大于1 0 1 0q c l n ，而大多数商业可利用的k t p 晶体的电阻率却不高于1 0 6 q c m 删。 除了具有高电阻率，r t p 晶体还具有大电光系数和高抗光损伤阈值( 在波 长1 0 6 4 l an l 、脉宽1 0 n s 脉冲串的作用下，约为1 8 g w c m 2 ) ，而且在高频电场的 作用下没有压电环效应，适于产生高重复率脉冲。实验显示【4 2 l ，采用一对通光长 度精确匹配的r t p 晶体，可以在2 5 1 2 5 。c 温度范围里获得良好的热稳定性 r t p 晶体在同一时期生长出的毛坯的不同扇区具有不同的铁电度越温度( 居里温 度、。已知熔盐法生长的k t p 晶体的铁电度越温度与k 和p 的原子浓度比以及熔 融液的浓度梯度比有关1 4 3 1 。从而推断熔盐法生长的r t p 晶体也有类似性质。弄 清不同扇区居里温度差异的原因，对生长光学性质均匀的优质r t p 晶体有着非 常重要的指导意义。 r t p 晶体为双轴晶，为了补偿温度产生的双折射效应，常采用两块晶体沿通 光方向旋转9 0 。的方式运用1 4 ”，配置方案如图1 3 所示。这种工作方式对两块晶 体通光方向的长度有很高要求，必须精确匹配( 长度差别小于 8 ) 才能达到较高 的消光比。适当延长通光方向的长度和压缩电场方向的厚度，可以大幅度降低半 波电压( 对于两块尺寸为4 x 4 5 m 3 的晶体，一般工作电压在1 k v 与2 k v 之间) ， 这对于制作高频便携式驱动装簧非常有利。 8 图1 3r t p 电光麻j 幽 f i g i 3f i g u r eo f r t p e o - a p p l i c a t i o n 山东大学硕士学位论文 1 3 电光晶体特性比较 在实际的工业和医疗领域，目前应用最多的仍然是由传统的d k d p 晶体或 l n 晶体制成的普克尔盒，由于这两类晶体的生长工艺技术已经相当成熟，因此 适合于大规模商业化生产。用高质量的d k d p 或l n 晶体也可以制作成大孔径的 调q 装置，然而它们的应用范围却因为自身的某些性质受到很大的局限。d k d p 晶体由于很容易潮解，因此在使用和保存时需要用密闭容器封装，这样无疑会带 来较大的插入损耗。另外，这类晶体在近红外区域的传输光谱范围仅局限于1 2 i ir n 以下，无法适用于工作波长在2 3i im 的稀士金属掺杂激光器。l n 晶体虽 然不易潮解，并且传输光谱范围可以达到5l im 左右，然而由于具有强烈的弹光 效应，致使它的损伤阈值很低。在重复率高于l k h z 的条件下，l n 晶体还会产 生热电去极化效应并出现压电环现象。这些不利的因素都制约了它在高功率高重 复率激光器中的应用。 在众多的新型材料中，b b o 晶体是最早被看好的一种。它被认为可以替代 传统的晶体材料而用于高峰值功率、小尺寸内腔光束的二极管泵浦固体激光器 中。b b o 具有很高的损伤阈值和较小的有效电光系数，为了降低调q 电压，只 有减小晶体孔径与纵向长度的比值，因此对于大孔径的系统显得无能为力。据报 道，这类晶体已经可以成功运用于重复率为1 0 k h z 的固体激光器中，当频率进 一步提高时，压电环效应便开始逐渐显现出来。 有着低插入损耗和高电光系数的k t p 晶族晶体似乎可以弥补其他各类电光 晶体的使用局限，其巨大的应用潜力早在1 0 年前就有人提出。近年来，人们又 对r t p 晶体进行了试探性的研究，和k t p 晶体相比，r t p 有着更大的电光系数 和更高的光损伤阈值，用它作为q 开关的晶体材料，可以在远高于1 0 k h z 的重 复率下获得脉宽l 5 n s 的超高功率脉冲，这是其它电光晶体材料所不能及的。r t p 制成的q 开关还能用在中红外波段的掺铥( 1 h ) 或掺铒( e r ) y a g 激光器中，从而 替代传统的l n 晶体突破了这类激光器输出功率小的局限。通过将两块r t p 晶体 适当搭配并加上高稳定性的热补偿装置，同时使光波沿着x 轴或y 轴方向传播， 不仅可以消除自然双折射的影响，还能满足不同孔径尺寸的系统需要。可以看到， 对于绝大多数调q 装置来说，r t p 晶体无疑是最好的选择。 9 山东大学硕士学位论文 本论文所做的主要工作：在第二章引入了影响r t p 电光开关消光比的各种因 素，通过理论分析比较各因素的影响程度，得出优化r t p 电光开关消光比的方 案；第三章实现了脉冲灯泵浦r t p 高频调q 的n d ：y a g 激光器正常运转，同时 与l n 调q 的n d ：y a g 激光器作了比较：第四章介绍了r t p 高频电光调q 、k t p 倍频的n d ：y a g 激光器，并与经常采用的声光调q 、k t p 倍频激光器作对比。 在分析激光器的动力学工作机理时，利用速率方程理论采用平面波近似对实验进 行计算机模拟，并把处理结果与实验结果相比较。 1 0 山东大学硕士学位论文 第二章r t p 电光开关消光比特性分析 电光开关消光比指的是光从一端入射电光开关，开关工作时透过光的强度与 闭合时漏出光的强度之比，其值的大小决定了激光调q 的效果。对于内腔电光 调q ，开关消光比愈大就表示开关闭合与打开时的损耗差越大：开关闭合时，几 乎能达到完全消光，激光物质中翻转粒子数能被很好的积累而不会因受激发射而 消耗；开关开启时，电光开关对振荡光而言只相当于插入了低损晶体，被积累的 激发态原子在大量自发辐射的诱导下受激发射，从而能在很短的时间内消耗自身 产生巨脉冲。 由此可以看出，消光比是电光开关最重要的性能参数之一，受到很多因素的 影响。最主要的因素包括晶体内部的均匀性、表面畸变和晶体在腔内所处的方位。 目前表面畸变可通过提高加工精度加以改善( 一般 8 ) ，均匀性则靠采用更先进 的提拉和旋转生长技术得到进一步的提高，所以开关所处位置的好坏就决定了是 否能得到更大单脉冲能量和更短脉宽的激光输出。本章的主要目的是获取调节过 程中对开关消光比有影响的因素，分析各因素对消光比的作用机理和影响程度， 从而给出快速准确调节双块晶体电光开关的方法下面将阐明对泊光比有影响的 各因素的分析过程，采用折射率椭球模型l 算出各个因素的影响程度并用实验结 果进行验证 2 1 自然双折射对消光比的影响 一般而言，电光开关的消光是入射光通过晶体后，两正交偏振光的合成偏振 方向发生偏转从而不能通过检偏器造成的。如果入射光非正入射，那么在晶体中 传播的两正交偏振光的光线方向和光波方向就会分离，即两光线横截面在射出晶 体后发生横向错动，使两光线部分横截面不能重合，而只有重合的地方才可能消 光，所以理论上整体消光比会下降。 下面采用折射率椭球模型，分析自然双折射对电光开关消光比的影响。分板 仅以入射光在入射面内为例