李清連，商繼芳，吳 婧，張 玲，孫 軍

(1.南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院，天津 300071；2.南開大學(xué)教育部弱光非線性光子學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300457；3.山西大學(xué)極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心，太原 030006；4.河南工程學(xué)院理學(xué)院，鄭州 451191)

1 引 言

納秒激光器具有峰值功率高的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于激光測(cè)距、紅外對(duì)抗、目標(biāo)指示等軍工領(lǐng)域以及激光雕刻、激光加工、激光醫(yī)療等民用領(lǐng)域[1-4]。絕大多數(shù)納秒脈沖激光都是利用電光調(diào)Q的技術(shù)獲得的，而其核心材料是電光調(diào)Q晶體。在國(guó)防和民用領(lǐng)域得到實(shí)用化的電光調(diào)Q晶體有磷酸二氘鉀(KD*P，KD2PO4)晶體、鈮酸鋰(LN，LiNbO3)晶體、磷酸氧鈦銣(RTP，RbTiOPO4)晶體。

KD*P晶體的光損傷閾值較高，晶體成本較低，是實(shí)用化的電光調(diào)Q晶體之一。但該晶體易潮解，須配有特殊的防潮密封裝置，這就會(huì)導(dǎo)致器件的插入損耗增加。同時(shí)KD*P電光調(diào)Q為縱向調(diào)制，電場(chǎng)方向與通光方向一致，電場(chǎng)不易均勻，影響激光系統(tǒng)的動(dòng)靜比。此外，KD*P晶體低溫下無(wú)法使用，必須配備加熱系統(tǒng)[5-8]。LN晶體性能穩(wěn)定且不潮解，電光系數(shù)高，晶體容易制備，但其損傷閾值較低，難以滿足高功率激光輸出的需求[9-12]。RTP晶體在電光調(diào)Q方面也得到了一定的應(yīng)用，晶體性能穩(wěn)定、損傷閾值高，是目前高重頻電光調(diào)Q開關(guān)優(yōu)選材料之一。但RTP晶體生長(zhǎng)困難，晶體價(jià)格過(guò)于昂貴，使其在民用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用受到很大的阻礙[13-14]。

鉭酸鋰(LT，LiTaO3)晶體與LN晶體結(jié)構(gòu)類似、性能類似、制備技術(shù)類似，晶體性能穩(wěn)定不潮解，易獲得大尺寸晶體，更重要的是其損傷閾值比LN晶體高[15-18]，是一種具有應(yīng)用前景的電光調(diào)Q晶體。但是LT晶體在沿C軸通光時(shí)對(duì)應(yīng)的電光系數(shù)γ22很小，僅為0.1 pm/V，因此不能像LN晶體一樣采用沿X方向加電、Z軸方向通光的配置方式。當(dāng)沿X或Y方向通光時(shí)，對(duì)應(yīng)的有效電光系數(shù)較大，但同時(shí)也會(huì)引入由自然雙折射導(dǎo)致的相位延遲，而且受溫度影響較大，嚴(yán)重影響調(diào)Q開關(guān)的性能。為了實(shí)現(xiàn)LT-Q開關(guān)的電光調(diào)制，需要采用雙晶體匹配的方法補(bǔ)償自然雙折射引入的相位延遲，這也就對(duì)兩塊匹配晶體自身的質(zhì)量及加工質(zhì)量也提出了較高的要求。目前尚沒有關(guān)于LT電光調(diào)Q開關(guān)研制和應(yīng)用的報(bào)道。

本文工作中，從LT雙晶匹配實(shí)現(xiàn)電光調(diào)Q的原理出發(fā)，首先分析了晶體通光方向晶向角、尺寸偏差等對(duì)補(bǔ)償自然雙折射引起相位延遲的影響，然后以調(diào)Q開關(guān)達(dá)到100∶1的消光比為目標(biāo)，估算了晶體通光方向晶向角精度及尺寸偏差的加工要求。通過(guò)改變晶體粘接方法、采用同盤拋光制備了LT電光調(diào)Q晶體。采用錐光干涉的方法表征了LT調(diào)Q開關(guān)匹配后的光學(xué)質(zhì)量，并通過(guò)上機(jī)測(cè)試，表征了其調(diào)Q性能。

2 理論分析

2.1 鉭酸鋰電光調(diào)Q開關(guān)的工作原理

首先對(duì)LT電光調(diào)Q開關(guān)的工作原理進(jìn)行說(shuō)明，LT晶體的電光系數(shù)矩陣為[18]：

當(dāng)沿晶體Z方向施加電場(chǎng)E時(shí)，晶體折射率橢球方程在電場(chǎng)的影響下為：

(1)

其中no和ne分別為晶體的尋常光折射率和異尋常光折射率。將上式數(shù)學(xué)近似后，可將LT晶體電致折射率nx和nz表述為：

(2)

(3)

雙晶匹配LT電光調(diào)Q開關(guān)的工作示意圖如圖1所示。沿Z軸加電場(chǎng)、沿X軸方向通光，兩塊晶體的Z軸互相垂直，外加電壓極性相反。激光的偏振方向和晶體Z軸成45°。由折射率橢球理論和電光效應(yīng)理論，可以求出激光通過(guò)兩塊晶體后總的相位差δ為

(4)

式中，l1、l2分別為兩塊晶體通光方向的長(zhǎng)度，即X方向或Y方向的長(zhǎng)度，d1、d2為兩塊晶體施加電場(chǎng)方向的厚度，即晶體Z方向的長(zhǎng)度，no1、ne1和no2、ne2分別為激光通過(guò)兩塊晶體時(shí)的尋常光折射率和異常光折射率，λ為入射激光的波長(zhǎng)，γc1、γc2為二者的有效電光系數(shù)，其滿足關(guān)系式

(5)

圖1 LT雙晶體匹配電光調(diào)Q開關(guān)示意圖Fig.1 Schematic diagram of LT double-crystal matched electro-optic Q-switch

由公式(4)可以看出，只有當(dāng)兩塊匹配晶體完全相同時(shí)，即d1=d2=d，l1=l2=l，no1=ne1=no，no2=ne2=ne，才能夠完全消除自然雙折射引起的相位延遲，此時(shí)，由公式(4)可以求得對(duì)應(yīng)的半波電壓如公式(6)所示。

(6)

2.2 晶體通光方向晶向角偏差、尺寸偏差對(duì)匹配效果的影響

在實(shí)際應(yīng)用中，受加工精度的影響，兩塊匹配晶體通光方向的晶向角及長(zhǎng)度一般都存一定的偏差，由公式(4)可以看出，這個(gè)偏差將導(dǎo)致激光通過(guò)兩塊晶體后由于自然雙折射而引入額外的相位延遲，進(jìn)而影響調(diào)Q效果。

當(dāng)加壓式調(diào)Q時(shí)，LT電光調(diào)Q開關(guān)和1/4波片均置于偏振鏡和全反鏡之間，當(dāng)調(diào)Q晶體加上1/4波電壓后，調(diào)Q系統(tǒng)的透過(guò)率T可表示為

(7)

調(diào)Q開關(guān)的消光比為最大和最小透過(guò)率的比值，如果兩晶體中自然雙折射引起的相位差沒有完全補(bǔ)償，則將影響調(diào)Q系統(tǒng)的透過(guò)率，進(jìn)而影響消光比[19]。設(shè)晶體通光方向的長(zhǎng)度l為10 mm，加電方向長(zhǎng)度d為9 mm，根據(jù)式(4)和(7)，結(jié)合折射率橢球理論，將LT晶體的no、ne及γc等參數(shù)代入公式可以算出，要達(dá)到100∶1的消光比，入射光通光方向與X軸軸向偏差不能超過(guò)1.3°，兩晶體之間的長(zhǎng)度差必須控制在5.6 μm以內(nèi)。要達(dá)到更高的消光比，要求更高。對(duì)于軸向角偏差1.3°而言，是指晶體晶向偏差、裝配偏差等的總合，所以為了降低裝配難度，必須提高晶體加工后的晶向角精度。

以上分析是以單量變化來(lái)討論的，一般實(shí)際應(yīng)用中，這些影響因素是同時(shí)存在的，因此在實(shí)際加工中為了保證匹配效果，必須使兩匹配晶體的加工精度盡可能的高。

3 調(diào)Q晶體的加工

3.1 晶體選材

實(shí)驗(yàn)所用的LT晶體是采用提拉法從固液同成分共熔配比的熔體中直接生長(zhǎng)、并經(jīng)過(guò)單疇化處理的C軸晶體。雖然熔體為同成分配比，但實(shí)際上由于同成分點(diǎn)選擇的不同、晶體生長(zhǎng)過(guò)程Li揮發(fā)、組分過(guò)冷等因素，使長(zhǎng)出來(lái)的晶體首尾組分存在偏差，進(jìn)而嚴(yán)重影響了晶體縱向的光學(xué)均勻性。此外晶體徑向組分也存在一定的偏差。

由于晶體光學(xué)均勻性對(duì)組分均勻性非常敏感，為了保證兩塊匹配晶體的光學(xué)均勻性一致，便于配對(duì)，晶體取樣時(shí)，同一對(duì)調(diào)Q晶體選自同一晶體的同一縱向位置，而且二者的徑向位置分布對(duì)稱。圖2為樣品取樣示意圖，其中1和4配對(duì)，2和3配對(duì)。

圖2 LT晶體取樣示意圖Fig.2 Sampling schematic diagram of LT crystal

綜合晶體的光學(xué)質(zhì)量、光斑大小及半波電壓等因素，實(shí)驗(yàn)中定LT調(diào)Q晶體的尺寸為10 mm×9 mm×9 mm(x×y×z)，通光方向沿X軸方向。

3.2 晶體加工

由以上分析可知，為了滿足配對(duì)條件，要求配對(duì)晶體通光方向的尺寸偏差小于5.6 μm，晶向角偏差越小越好(小于1.3°)。

實(shí)際應(yīng)用中，一般對(duì)調(diào)Q晶體要求其通光方向兩端面的平行度優(yōu)于10″，平面度優(yōu)于λ/8@632.8 nm。當(dāng)組盤后整個(gè)拋光面的直徑為50 mm時(shí)，整盤晶體兩光學(xué)表面間的長(zhǎng)度差小于2 μm，當(dāng)兩匹配晶體相鄰時(shí)偏差更小。當(dāng)拋光面的平面度為λ/8@632.8 nm，考慮到正反兩面的面型差，其引入兩塊晶體間的尺寸偏差不足0.2 μm，該值遠(yuǎn)小于理論計(jì)算值5.6 μm。因此認(rèn)為將匹配晶體組盤拋光完全可以滿足兩塊匹配晶體對(duì)尺寸偏差的要求。

組盤時(shí)，以平面平晶為靠板來(lái)保證匹配晶體通光方向晶向角的精度。假設(shè)上盤時(shí)基面與平晶平面間的平面度偏差為一個(gè)光圈(約0.3 μm)，該平面度引入晶體粘接基面晶向角的偏差約為0.1′。而準(zhǔn)平晶面型(0.1 μm)引入的角度偏差更小，可忽略。因此認(rèn)為該方法可滿足雙折射匹配對(duì)晶體晶向角偏差的要求。

組盤后對(duì)晶體通光面進(jìn)行研磨拋光。加工完成后分別采用X射線定向儀、激光平面干涉儀、微分干涉顯微鏡等對(duì)加工的軸向角偏差、平面度、平行度、光潔度等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明，晶體軸向角偏差為±2′，平面度優(yōu)于λ/8@632.8 nm，平行度為8″，光潔度達(dá)到10/5。

4 結(jié)果與討論

4.1 雙晶體匹配錐光干涉圖

采用錐光干涉的方法表征兩晶體匹配后的效果[20]，進(jìn)一步判斷晶體加工指標(biāo)是否滿足要求。圖3為不同晶體匹配后的結(jié)果。

其中左圖為嚴(yán)格按照要求選料、加工出來(lái)的晶體的匹配圖，圖中十字正交，干涉環(huán)清晰且分布對(duì)稱，證明二者匹配較好，能夠補(bǔ)償自然雙折射引起的相位延遲。右圖中兩晶體的加工指標(biāo)滿足上述理論要求，但是晶體為隨機(jī)選料，從圖中可以看出，十字不正交，證明這兩塊晶體匹配較差，不能完全補(bǔ)償自然雙折射引起的相位延遲。分析原因，可能是匹配晶體光學(xué)均勻性較差或二者光學(xué)均勻性差別較大，進(jìn)而對(duì)匹配效果產(chǎn)生了較大的影響，進(jìn)而也說(shuō)明了雙晶匹配的LT調(diào)Q開光對(duì)晶體的光學(xué)質(zhì)量要求較高。

圖3 LT調(diào)Q雙晶匹配錐光干涉圖Fig.3 Conoscopic interference patterns of LT double-crystal matched Q-switched

圖4 激光輸出光斑Fig.4 Laser spots

4.2 激光器上機(jī)實(shí)驗(yàn)

在脈沖氙燈泵浦的Nd,Ce∶YAG激光系統(tǒng)中，對(duì)LT電光調(diào)Q開關(guān)的性能進(jìn)行了研究。諧振腔為平平腔，Nd,Ce∶YAG激光棒直徑為5 mm，長(zhǎng)為80 mm，氙燈和Nd,Ce∶YAG激光棒均放置在橢圓鍍銀的聚光腔內(nèi)。激光輸出波長(zhǎng)為1064 nm，脈寬為7 ns。雙晶匹配的LT調(diào)Q開關(guān)兩通光面均鍍有1064 nm單點(diǎn)增透膜，剩余反射率小于0.5%，Z方向鍍有金電極。采用加壓式工作，重復(fù)頻率為1 Hz。

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)激光器靜態(tài)輸出能量約為190 mJ，當(dāng)給晶體加上四分之一波電壓后開關(guān)無(wú)法完全關(guān)斷，匹配后錐光干涉圖較好的LT調(diào)Q開關(guān)只漏2 mJ，而錐光干涉圖較差的LT調(diào)Q開關(guān)漏光約10 mJ，說(shuō)明LT調(diào)Q開關(guān)沒有實(shí)現(xiàn)完全的相位匹配。圖4中的左圖是匹配較好的LT調(diào)Q開關(guān)工作后打出的激光光斑，光斑分布均勻?qū)ΨQ，且形狀規(guī)則。右圖是匹配較差LT調(diào)Q開關(guān)工作后打出的激光光斑，光斑形狀畸變嚴(yán)重。

上述實(shí)驗(yàn)初步證明匹配較好的LT調(diào)Q開關(guān)可以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

5 結(jié) 論

當(dāng)沿LT晶體Z軸方向加電、沿X或Y方向通光進(jìn)行電光應(yīng)用時(shí)可以利用其較大的電光系數(shù)，但是自然雙折射會(huì)引入額外的相位延遲，文中采用雙晶匹配的方法來(lái)補(bǔ)償自然雙折射引起的相位差。從LT雙晶匹配調(diào)Q開關(guān)工作的原理出發(fā)，以X軸為通光方向，估算當(dāng)單塊晶體通光方向長(zhǎng)度為10 mm時(shí)，若要調(diào)Q開關(guān)消光比達(dá)到100∶1時(shí)，要求整個(gè)開關(guān)通光方向與X軸軸向偏差不能超過(guò)1.3°，兩晶體的長(zhǎng)度偏差必須控制在5.6 μm以內(nèi)。然后通過(guò)對(duì)稱取樣來(lái)保證匹配晶體的光學(xué)質(zhì)量差，通過(guò)以準(zhǔn)平晶為基準(zhǔn)面組盤、同盤拋光的方法保證晶體的加工質(zhì)量，進(jìn)而制備了雙晶匹配LT調(diào)Q開關(guān)。最后又采用錐光干涉的方法表征了匹配后晶體的光學(xué)性能，通過(guò)上機(jī)實(shí)驗(yàn)，從輸出激光能量及光斑質(zhì)量角度分析了LT調(diào)Q開關(guān)的性能，認(rèn)為匹配較好的LT調(diào)Q開關(guān)能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。