曾慶高，張澤紅，高維松，付禮鵬

(1. 中國電子科技集團公司第四十四研究所, 重慶 400060；2. 中國電子科技集團公司第二十六研究所, 重慶 400060)

0 引言

飛秒激光脈沖具有極短的脈沖寬度和極高的峰值功率，與物質(zhì)相互作用時呈現(xiàn)強烈的非線性效應(yīng)，它主要依靠多光子吸收機制來加工一些長脈沖激光無法作用的透明材料。飛秒脈沖作用時間極短，熱效應(yīng)小(可忽略)，使得激光燒蝕的邊緣整齊、光滑無毛刺裂紋，因此,近年來飛秒脈沖激光得到了飛速發(fā)展，在精細加工領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多[1]。

在使用飛秒激光加工過程中，需要對激光進行快速的開關(guān)控制。這種開關(guān)控制只能在激光腔外進行，若在激光腔內(nèi)會嚴重影響激光脈沖的穩(wěn)定性。

聲光開關(guān)具有承受激光功率高，開關(guān)速度快，損耗低，工作壽命長，全固化無機械運動，控制方便等優(yōu)點，成為飛秒激光領(lǐng)域理想的開關(guān)部件。

1 基本原理

近年來，為了提高激光加工的深度和速度，飛秒激光的光功率越來越高(平均功率100 W，峰值功率20 MW)，常用的氧化碲晶體承受不了這么高的激光功率，因此，需要采用耐受激光功率能力較好的石英晶體(峰值功率可達1 GW)來制作聲光開關(guān)。

聲光開關(guān)主要由器件和驅(qū)動器兩部分組成。器件主要由表電極、換能器和聲光介質(zhì)等組成[2]，是完成聲與光相互作用的核心部件，如圖1所示。驅(qū)動器的功能是給器件提供高頻驅(qū)動信號。

圖2為聲光開關(guān)應(yīng)用示意圖。驅(qū)動器輸出的電信號傳輸?shù)狡骷?nèi)，經(jīng)表電極加到換能器上，換能器轉(zhuǎn)化為超聲波傳輸?shù)铰暪饣プ饔媒橘|(zhì)內(nèi)，入射光在介質(zhì)內(nèi)與超聲波發(fā)生聲光互作用，產(chǎn)生衍射光。衍射光與0級光(穿過器件未衍射的入射光)在空間上分離，再被光學(xué)系統(tǒng)整形聚焦到加工部件上。

通過控制信號可控制衍射光的強弱、有無?？刂菩盘栍袃山M:

1) 模擬控制信號(0～1 V)。它調(diào)節(jié)驅(qū)動器輸出電功率信號的幅度，從而控制衍射光的強弱。

2) 開關(guān)控制信號(TTL電平)。它控制驅(qū)動器的輸出，從而根據(jù)需要控制衍射光的有無：低電平無電功率輸出(無衍射光)，高電平有電功率輸出(有衍射光)。這樣聲光開關(guān)實現(xiàn)了對激光的開關(guān)控制功能，如圖3所示。

圖3 聲光開關(guān)控制示意圖

2 衍射效率

衍射效率η是指+1級衍射光占總光強的百分比，是表征聲光開關(guān)特性的重要技術(shù)指標。η越高，激光能量的利用率越高，對系統(tǒng)的損耗就越低。為了提高η，器件設(shè)計成布喇格衍射模式，布喇格衍射的條件是品質(zhì)因數(shù)Q不低于4π。Q值越大，進入布喇格衍射模式的程度越高，+1級衍射光可達到的效率越高。Q值[2]為

Q=2πLf2λ/(nv2)

(1)

式中：f為工作頻率；λ為光波長；n為聲光介質(zhì)折射率；v為聲光介質(zhì)中超聲波的速度；L為聲光互作用長度。

本文聲光介質(zhì)采用石英晶體,取f=68 MHz，λ=1 064 nm，n=1.55，v=5 750 m/s。 當器件工作模式為布喇格衍射時，+1級衍射光的η[3]為

(2)

式中：P為輸入器件的電功率；k為器件換能器的機電耦合系數(shù)；M2為器件聲光介質(zhì)的聲光優(yōu)值；H為光孔徑。

本文換能器材料采用鈮酸鋰晶體，其k=0.49，M2=3.5×10-15s3/kg，H=4 mm。

η還與聲波發(fā)散角Δθ、入射光的光束質(zhì)量因子M2有關(guān)。對于大多數(shù)激光器，適當增加聲波發(fā)散角能獲得更高的η，但會浪費一定的聲波功率。器件聲波發(fā)散角為

Δθ=v/(Lf)

(3)

由式(3)可知，當聲光介質(zhì)石英晶體的v和f確定后，減少L是增加聲波發(fā)散角的唯一途徑。L與Q、η有關(guān)，故需兼顧設(shè)計。

比較L分別為42 mm、35 mm和28 mm的聲光開關(guān)的最大η。測試激光器的Δθ=1.4 mrad，這3種聲光開關(guān)能達到的最大η和需要的驅(qū)動電功率典型值如表1所示。由表可見，1#聲光開關(guān)的L最大，Δθ最小，需要的驅(qū)動電功率最小，但能達到的最大η最小；3#聲光開關(guān)的L最小，Δθ最大，浪費的聲波功率較多，故所需電功率較大。又由于Q值較小，進入布喇格衍射模式的程度不高，故而獲得的最大η較低。比較可知，L=35 mm時，既能獲得較高的η，又不需要太高的驅(qū)動電功率，因此設(shè)聲光開關(guān)的L=35 mm。

表1 3種聲光開關(guān)能達到的最大η

對于L=35 mm的聲光開關(guān)，除穿過器件的0級光外，還能觀察到+1級、+2級和-1級衍射光，其他高階衍射光能量很小，可忽略。這種聲光開關(guān)各級衍射光(包括0級光)占總光強比(典型值)如表2所示。由表可見，驅(qū)動器輸出電功率為30 W時，器件達到的+1級光η最高，再增加電功率有用的+1級光η會降低，無用的0級光及高階衍射光(-1級和+2級)會增加，因此，我們設(shè)計的模擬電壓控制信號能精確控制輸入器件的電功率，以獲得最佳的衍射效率。

表2 L=41 mm時各級衍射光(包括0級光)占總光強比

圖4為+1級光η隨電功率的變化趨勢。由圖可見，在+1級光η達到最大值前，實測值與理論值較吻合。在+1級光η最大時，各級衍射光占總光強比如圖5所示。

圖4 +1級光η隨電功率變化的趨勢

圖5 各級衍射光光強比

3 光束模式

η決定了激光功率的利用率，光束模式?jīng)Q定了激光束的質(zhì)量。如果把激光束比作一把加工用的刀，那么激光功率就表示這把刀的質(zhì)量，而光束模式表示這把刀的鋒利程度。如果只是激光的功率大，而光束模式不好，就如同一把鈍刀，不會取得好的加工效果。激光模式的本質(zhì)是激光能量的空間分布，它決定了聚焦焦點的能量分布，對激光加工質(zhì)量具有重要的影響[4]。

為獲得好的加工質(zhì)量，飛秒激光的光束模式質(zhì)量一般都做得較好。聲光開關(guān)與激光發(fā)生直接接觸的是器件里的聲光介質(zhì)，聲光介質(zhì)的光學(xué)性能、通光面質(zhì)量、溫度分布及應(yīng)力分布等情況會影響激光的光束模式。

聲光介質(zhì)選用光學(xué)級的石英晶體，其光學(xué)性能很好，理論上不會對激光的光束模式產(chǎn)生影響。聲光介質(zhì)通光面質(zhì)量對光束模式影響較大，必須采用高等級的拋光技術(shù)、提高平面度等級及降低粗糙度來消除通光面質(zhì)量對光束模式的影響。

我們采用浴法拋光，工件和拋光模具同時都浸在拋光液中，使用極細的拋光粉和很低的拋光壓力，這樣拋光時產(chǎn)生摩擦熱能迅速擴散到拋光液中，有效避免了工件和拋光模具的溫度升高，徹底消除了工件的熱變形，從而使工件表面質(zhì)量達到較高的水平：通光面粗糙度Ra可達0.3～0.5 nm，平面度為λ/20(λ為波長)。

石英晶體的熱導(dǎo)率很高，為減小體積，采用了單面水冷的緊湊結(jié)構(gòu)模式,產(chǎn)品外形如圖6所示。器件工作2 min就達到熱平衡，這時使用的區(qū)域內(nèi)晶體溫度差小于2 ℃，如圖7所示。

圖6 聲光開關(guān)外形

圖7 聲光開關(guān)的熱像儀照片

M2能較好地表征光束模式的特性，本文采用M2測試儀測量光束模式。光源為二極管泵浦連續(xù)激光器，其光功率為2.4 W。由于M2測試儀承受的激光功率很低，因此,在激光器的輸出端使用了一個衰減片，將激光功率降低到0.5 mW時再進行測量。

用M2測試儀測試經(jīng)過衰減片后的入射激光的光束模式，測試結(jié)果如圖8所示。衍射光光束的測量結(jié)果如圖9所示。

圖8 入射光的光束模式

圖9 衍射光的光束模式

表3為入射光和衍射光的M2對比分析。由表可見，與入射光M2相比，衍射光M2的相對變化量小于1%，基本上未改變光束模式。這個變化量是晶體質(zhì)量、通光面拋光質(zhì)量、衍射作用及溫度分布等多種因素綜合作用的結(jié)果， 要進一步降低變化量，需從上述幾方面著手分析解決。

表3 入射光與衍射光的M2對比分析

4 結(jié)束語

石英聲光開關(guān)全固化無機械運動，控制方便，性能穩(wěn)定，且對入射光的光束模式改變很小，不僅可用于高功率飛秒激光器系統(tǒng)中，還可用于其他高功率脈沖激光器或連續(xù)激光器系統(tǒng)中。通過優(yōu)化設(shè)計聲光互作用長度，在光束質(zhì)量較好的條件下，獲得了高達95%的+1級光衍射效率，但與理論值相比還有一定的差距，需在以后工作中改進。