石英聲光開(kāi)關(guān)

曾慶高，張澤紅，高維松，付禮鵬

(1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十四研究所, 重慶 400060；2. 中國(guó)電子科技集團(tuán)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(shí)呈現(xiàn)強(qiáng)烈的非線(xiàn)性效應(yīng)，它主要依靠多光子吸收機(jī)制來(lái)加工一些長(zhǎng)脈沖激光無(wú)法作用的透明材料。飛秒脈沖作用時(shí)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(wú)毛刺裂紋，因此,近年來(lái)飛秒脈沖激光得到了飛速發(fā)展，在精細(xì)加工領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多[1]。

在使用飛秒激光加工過(guò)程中，需要對(duì)激光進(jìn)行快速的開(kāi)關(guān)控制。這種開(kāi)關(guān)控制只能在激光腔外進(jìn)行，若在激光腔內(nèi)會(huì)嚴(yán)重影響激光脈沖的穩(wěn)定性。

聲光開(kāi)關(guān)具有承受激光功率高，開(kāi)關(guān)速度快，損耗低，工作壽命長(zhǎng)，全固化無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，控制方便等優(yōu)點(diǎn)，成為飛秒激光領(lǐng)域理想的開(kāi)關(guān)部件。

1 基本原理

近年來(lái)，為了提高激光加工的深度和速度，飛秒激光的光功率越來(lái)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(dá)1 GW)來(lái)制作聲光開(kāi)關(guān)。

聲光開(kāi)關(guān)主要由器件和驅(qū)動(dòng)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(dòng)器的功能是給器件提供高頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖2為聲光開(kāi)關(guān)應(yīng)用示意圖。驅(qū)動(dòng)器輸出的電信號(hào)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(jí)光(穿過(guò)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(guò)控制信號(hào)可控制衍射光的強(qiáng)弱、有無(wú)?？刂菩盘?hào)有兩組:

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

2) 開(kāi)關(guān)控制信號(hào)(TTL電平)。它控制驅(qū)動(dòng)器的輸出，從而根據(jù)需要控制衍射光的有無(wú)：低電平無(wú)電功率輸出(無(wú)衍射光)，高電平有電功率輸出(有衍射光)。這樣聲光開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光的開(kāi)關(guān)控制功能，如圖3所示。

圖3 聲光開(kāi)關(guān)控制示意圖

2 衍射效率

衍射效率η是指+1級(jí)衍射光占總光強(qiáng)的百分比，是表征聲光開(kāi)關(guān)特性的重要技術(shù)指標(biāo)。η越高，激光能量的利用率越高，對(duì)系統(tǒng)的損耗就越低。為了提高η，器件設(shè)計(jì)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(jìn)入布喇格衍射模式的程度越高，+1級(jí)衍射光可達(dá)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(zhǎng)；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(zhǎng)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(dāng)器件工作模式為布喇格衍射時(shí)，+1級(jí)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(jī)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(duì)于大多數(shù)激光器，適當(dāng)增加聲波發(fā)散角能獲得更高的η，但會(huì)浪費(fèi)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(dāng)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(jì)。

比較L分別為42 mm、35 mm和28 mm的聲光開(kāi)關(guān)的最大η。測(cè)試激光器的Δθ=1.4 mrad，這3種聲光開(kāi)關(guān)能達(dá)到的最大η和需要的驅(qū)動(dòng)電功率典型值如表1所示。由表可見(jiàn)，1#聲光開(kāi)關(guān)的L最大，Δθ最小，需要的驅(qū)動(dòng)電功率最小，但能達(dá)到的最大η最??；3#聲光開(kāi)關(guān)的L最小，Δθ最大，浪費(fèi)的聲波功率較多，故所需電功率較大。又由于Q值較小，進(jìn)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(shí)，既能獲得較高的η，又不需要太高的驅(qū)動(dòng)電功率，因此設(shè)聲光開(kāi)關(guān)的L=35 mm。

表1 3種聲光開(kāi)關(guān)能達(dá)到的最大η

對(duì)于L=35 mm的聲光開(kāi)關(guān)，除穿過(guò)器件的0級(jí)光外，還能觀察到+1級(jí)、+2級(jí)和-1級(jí)衍射光，其他高階衍射光能量很小，可忽略。這種聲光開(kāi)關(guān)各級(jí)衍射光(包括0級(jí)光)占總光強(qiáng)比(典型值)如表2所示。由表可見(jiàn)，驅(qū)動(dòng)器輸出電功率為30 W時(shí)，器件達(dá)到的+1級(jí)光η最高，再增加電功率有用的+1級(jí)光η會(huì)降低，無(wú)用的0級(jí)光及高階衍射光(-1級(jí)和+2級(jí))會(huì)增加，因此，我們?cè)O(shè)計(jì)的模擬電壓控制信號(hào)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(shí)各級(jí)衍射光(包括0級(jí)光)占總光強(qiáng)比

圖4為+1級(jí)光η隨電功率的變化趨勢(shì)。由圖可見(jiàn)，在+1級(jí)光η達(dá)到最大值前，實(shí)測(cè)值與理論值較吻合。在+1級(jí)光η最大時(shí)，各級(jí)衍射光占總光強(qiáng)比如圖5所示。

圖4 +1級(jí)光η隨電功率變化的趨勢(shì)

圖5 各級(jí)衍射光光強(qiáng)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(huì)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(diǎn)的能量分布，對(duì)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(kāi)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(huì)影響激光的光束模式。

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

我們采用浴法拋光，工件和拋光模具同時(shí)都浸在拋光液中，使用極細(xì)的拋光粉和很低的拋光壓力，這樣拋光時(shí)產(chǎn)生摩擦熱能迅速擴(kuò)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(dá)到較高的水平：通光面粗糙度Ra可達(dá)0.3～0.5 nm，平面度為λ/20(λ為波長(zhǎng))。

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(dá)到熱平衡，這時(shí)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(kāi)關(guān)外形

圖7 聲光開(kāi)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(cè)試儀測(cè)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(cè)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(gè)衰減片，將激光功率降低到0.5 mW時(shí)再進(jìn)行測(cè)量。

用M2測(cè)試儀測(cè)試經(jīng)過(guò)衰減片后的入射激光的光束模式，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。衍射光光束的測(cè)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(duì)比分析。由表可見(jiàn)，與入射光M2相比，衍射光M2的相對(duì)變化量小于1%，基本上未改變光束模式。這個(gè)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(jìn)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(duì)比分析

4 結(jié)束語(yǔ)

石英聲光開(kāi)關(guān)全固化無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，控制方便，性能穩(wěn)定，且對(duì)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(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)聲光互作用長(zhǎng)度，在光束質(zhì)量較好的條件下，獲得了高達(dá)95%的+1級(jí)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(jìn)。