鉭酸鋰電光調(diào)Q晶體開關(guān)的制備研究

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)用于激光測距、紅外對抗、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，電場方向與通光方向一致，電場不易均勻，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晶體生長困難，晶體價(jià)格過于昂貴，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，并通過上機(jī)測試，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LT電光調(diào)Q開關(guān)的工作原理進(jìn)行說明，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E時(shí)，晶體折射率橢球方程在電場的影響下為：

(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、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度，即X方向或Y方向的長度，d1、d2為兩塊晶體施加電場方向的厚度，即晶體Z方向的長度，no1、ne1和no2、ne2分別為激光通過兩塊晶體時(shí)的尋常光折射率和異常光折射率，λ為入射激光的波長，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)的透過率，進(jìn)而影響消光比[19]。設(shè)晶體通光方向的長度l為10 mm，加電方向長度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1.3°，兩晶體之間的長度差必須控制在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、并經(jīng)過單疇化處理的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、晶體生長過程Li揮發(fā)、組分過冷等因素，使長出來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，晶體取樣時(shí)，同一對調(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稱。圖2為樣品取樣示意圖，其中1和4配對，2和3配對。

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，為了滿足配對條件，要求配對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尺寸偏差的要求。

組盤時(shí)，以平面平晶為靠板來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晶體晶向角偏差的要求。

組盤后對晶體通光面進(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，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、加工出來的晶體的匹配圖，圖中十字正交，干涉環(huán)清晰且分布對稱，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)而對匹配效果產(chǎn)生了較大的影響，進(jìn)而也說明了雙晶匹配的LT調(diào)Q開光對晶體的光學(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1.3°，兩晶體的長度偏差必須控制在5.6 μm以內(nèi)。然后通過對稱取樣來保證匹配晶體的光學(xué)質(zhì)量差，通過以準(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。