一种替代布儒斯特角切割的LN晶体的电光调Q开关

技术领域

本发明属于激光器件技术领域，更具体的说是涉及一种替代布儒斯特角切割的LN晶体的电光调Q开关。

背景技术

在固体激光技术领域，调Q技术的出现和发展是激光发展史上的一个重要突破。激光调Q技术是将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中，从而将激光峰值功率提高几个数量级的一种技术。一方面，高峰值功率调Q激光脉冲与物质相互作用产生一系列具有重大意义的新现象和新技术，直接推动了非线性光学的发展；另一方面，极窄脉宽的调Q激光脉冲推动了诸如脉冲激光测距、激光雷达、高速全息照相等应用的发展。可以说，激光调Q技术已经成为许多应用领域不可取代的重要技术。

电光Q开关是电光调Q技术中的核心元件，它是利用某些具有电光效应的晶体封装制作而成。铌酸锂(LN)晶体是一种传统的性能优异的电光晶体，对于近、中红外单程增益较小的激光器多采用按布儒斯特角切割的LN晶体作为电光Q开关。这种按布儒斯特角切割的LN晶体，沿光轴方向通光、沿X轴施加电场；在激光器中同时起了相位延迟器和偏振片的作用，避免了多余光学元件插入谐振腔带来的损耗；且晶体通光面因采用布儒斯特角入射无需再镀增透膜有效降低了加工成本，在电光调Q技术发展的初期阶段得到了广泛应用。然而LN晶体因其在生长过程中不可避免的存在应力和电光不均匀性，导致低温条件下开关存在漏光现象，无法满足空间激光器及军用激光器对日益增长的高低温性能需求。

磷酸钛氧钾(KTP)、磷酸钛氧铷(RTP)晶体是上世纪80年代开发的一种新型可实用化的电光晶体材料，实验验证采用两块尺寸相同的KTP或RTP晶体温度补偿设计时可以抵消温度对静态双折射的影响，在宽温度范围内具有很高的温度温定性。不过KTP和RTP电光Q开关在激光腔内的光路与布儒斯特角切割的LN电光Q开关不同，两者的不兼容性导致KTP和RTP电光Q开关无法应用于已成熟的激光器谐振腔设计方案中，这大大增加了研发成本。

因此，如何提供一种替代布儒斯特角切割的LN晶体的电光调Q开关是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

针对现有方案的不足，本发明的目的在于提出一种结构简单，便于调节的替代布儒斯特角切割的LN电光晶体的调Q开关。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种替代布儒斯特角切割的LN晶体的电光调Q开关，包括：棱镜、第一电光晶体和第二电光晶体，其中，所述棱镜、所述第一电光晶体、所述第二电光晶体沿通光方向依次排列；所述棱镜的工作面包括两通光面和两反射面，两通光面均镀设有增透膜，两反射面依据光线在界面是否会发生全反射决定镀设增反膜；

所述第一电光晶体和所述第二电光晶体采用横向电光效应，沿X轴或Y轴方向通光，沿Z轴施加电场；

所述第一电光晶体和所述第二电光晶体的主轴绕通光方向相互旋转90°且所述第一电光晶体和所述第二电光晶体的Z轴与入射面法线方向成45°角。

优选的，所述棱镜采用斜方棱镜、直角棱镜或等边棱镜，所述棱镜的数量为一个或多个。

优选的，所述棱镜的材料为N-BK7或熔融石英晶体。

优选的，所述第一电光晶体和所述第二电光晶体的尺寸完全相同。

优选的，所述第一电光晶体和所述第二电光晶体为磷酸钛氧钾晶体或磷酸钛氧铷晶体。

优选的，棱镜工作面的通光口径大于或等于所述第一电光晶体或所述第二电光晶体的通光口径。

优选的，所述第一电光晶体或所述第二电光晶体按电光应用方向加工为方柱形，对通光面进行精密光学抛光，四个侧面细磨。

优选的，入射光为P偏振光。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明采用棱镜、第一电光晶体与第二电光晶体组合的方式制成一种新型电光Q开关，入射光通过该开关后产生与通过布儒斯特角切割的LN电光Q开关的等效平移。

(2)本发明提出的电光Q开关，采用双晶温度补偿设计，极大提高了器件的温度适应性，能满足激光器在-60℃～+80℃范围内正常使用。

(3)本发明提出的电光Q开关通过合理设置棱镜、第一电光晶体与第二电光晶体的尺寸大小，可以等效替代同等规格的布儒斯特角切割的LN电光Q开关。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明的结构示意图。

图2附图为应用布儒斯特角切割的LN电光调Q开关的激光器的结构图。

图3附图为应用本发明电光调Q开关的激光器的结构图。

其中，图中，

11-棱镜；12-第一光电晶体；13-第二光电晶体；221-输出镜；222-激光工作物质；223-起偏器；214-LN电光调Q开关；225-全反射镜；224-电光调Q开关。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅附图1，本发明提供了一种替代布儒斯特角切割的LN晶体的电光调Q开关，包括：棱镜11、第一电光晶体12和第二电光晶体13，其中，棱镜11、第一电光晶体12、第二电光晶体13沿通光方向依次排列，为了增加可操作性，棱镜11、第一电光晶体12和第二电光晶体13固定在整体结构中；棱镜11的工作面包括两通光面和两反射面，两通光面均镀设有增透膜，两反射面均镀设有增反膜，其中，两反射面依据光线在界面是否会发生全反射决定镀设增反膜。

第一电光晶体12和第二电光晶体13采用横向电光效应，沿X轴或Y轴方向通光，沿Z轴施加电场；

第一电光晶体12和第二电光晶体13的主轴绕通光方向相互旋转90°且第一电光晶体12和第二电光晶体13的Z轴与入射面法线方向成45°角。

本发明中，棱镜的作用是使入射光线产生特定平移而不改变光的偏振态。进一步说明棱镜包含四个工作面：前通光面、前反射面、后反射面、后通光面。其中两通光面平行、两反射面平行、通光面与反射面夹角45°。光线的平移量由两反射面的相对距离唯一确定。

本发明的电光调Q开关其工作原理是：本发明电光调Q开关分为两个工作部分，其中棱镜作为光线平移部分，等效LN晶体布儒斯特角切割面产生的光线平移，电光晶体部分(包括第一电光晶体和第二电光晶体)作为电光调制部分等效LN晶体产生的相位延迟。

本实施例中，棱镜采用斜方棱镜，棱镜的数量为一个。

本实施例中，棱镜的材料为N-BK7或熔融石英晶体。

本实施例中，第一电光晶体和第二电光晶体的尺寸完全相同，可使用的长方体或正方体，使用两块尺寸相同的晶体组合消除静态双折射随温度变化对激光偏振态的影响。

本实施例中，第一电光晶体和第二电光晶体为磷酸钛氧钾(KTP)晶体或磷酸钛氧铷(RTP)晶体。

本实施例中，棱镜工作面的通光口径大于或等于第一电光晶体或第二电光晶体的通光口径。

本实施例中，第一电光晶体或第二电光晶体按电光应用方向加工为方柱形，对通光面进行精密光学抛光，四个侧面细磨。第一电光晶体或第二电光晶体的通光端面镀增透膜，Z面镀电极层。

另外，本发明提出的棱镜、第一电光晶体和第二电光晶体组合式的电光调Q开关，可使用多块棱镜使光线平移。

本实施例中，入射光为P偏振光。棱镜的反射面对P偏振光和S偏振光的反射系数并不相同，当入射偏振光同时包含P分量和S分量经过棱镜后会改变入射光的偏振态，将会造成电光Q开关的失效。

本发明采用棱镜、第一电光晶体与第二电光晶体组合的方式制成一种新型电光Q开关，入射光通过该开关后产生与通过布儒斯特角切割的LN电光Q开关的等效平移。本发明提出的电光Q开关，采用双晶温度补偿设计，极大提高了器件的温度适应性，能满足激光器在-60℃～+80℃范围内正常使用。本发明提出的电光Q开关通过合理设置棱镜、第一电光晶体与第二电光晶体的尺寸大小，可以等效替代同等规格的布儒斯特角切割的LN电光Q开关。

下面结合图1对电光调Q开关的工作原理作进一步说明：一束波长为1064nm、偏振态沿水平方向的P偏振光沿通光方向正入射到电光调Q开关的棱镜上，棱镜前后通光面镀1064nm波长增透膜，光线透射棱镜前通光面后在前反射面发生全反射光线偏转90°，继而光线在后反射面再次反生全反射偏转90°后由后通光面出射。由以上分析可以理解入射光通过棱镜后发生两次全反射由此产生一段侧向位移，但出射光的传播方向及偏振态保持不变。第一电光晶体与第二电光晶体沿X轴方向通光，晶体的Y、Z主轴绕通光方向相互旋转90°且晶体Z轴与P光偏振方向成45°角。在第一电光晶体与第二电光晶体不加电压的情况下，从棱镜出射的P偏振光通过第二电光晶体后偏振态保持不变；当第一电光晶体与第二电光晶体施加半波电压时，P偏振光变为S偏振光；当第一电光晶体与第二电光晶体施加四分之一波电压时，P偏振光变为圆偏振光。

需要指出的是棱镜的反射面对P偏振光和S偏振光的反射系数并不相同，当入射偏振光同时包含P分量和S分量经过棱镜后会改变入射光的偏振态。造成电光Q开关的失效。

为了进一步说明本发明电光调Q开关与布儒斯特角切割的LN电光调Q开关的可替换性。下面结合图2和图3，对两种开关应用于激光谐振腔内的工作原理作比较。

图2为应用布儒斯特角切割的LN电光调Q开关的激光器，激光器的振荡光路上依次置有输出镜221、激光工作物质222、起偏器223，LN电光调Q开关214和全反射镜225。其工作原理是在外界激励源作用下，激光工作物质222发出特定波长荧光，经起偏器223形成偏振度较高的P偏振光，LN晶体的两个端面以对应工作物质发射激光波长的布儒斯特角切割，P光入射到不加电压的LN电光Q开关214后，光路发生改变而保持原有的偏振态，继而通过全反射镜225使光线原路返回，整个周期内光线的偏振态始终保持不变腔内损耗处于低值，光在腔内来回反射形成振荡产生激光输出。当给LN电光Q开关214加载四分之一波电压后，P偏振光通过LN电光Q开关214后变为圆偏振光，圆偏振光经全反射镜225反射，再次入射LN电光Q开关214时S光被反射，剩余P光通过LN电光Q开关后仍为圆偏振光，不过强度衰减一半，经多次反射光在腔内损耗过大无法形成振荡产生激光输出。激光器在LN电光开关加上四分之一波电压时关断，撤掉四分之一波电压时打开。

图3为应用本发明电光调Q开关的激光器，其结构与图2的应用布儒斯特角切割的LN电光调Q开关的激光器完全相同。经起偏器223形成的P偏振光，通过电光调Q开关224的棱镜部分时产生一段侧向平移，其平移的效果与图2所示LN晶体产生的平移相同，且不改变光的偏振态。在第一电光晶体与第二电光晶体不加电压时，从棱镜出射的P偏振光通过第二电光晶体后偏振态保持不变；光线在激光腔内振荡损耗很小产生激光输出。当给电光Q开关224加载四分之一波电压后，P偏振光通过电光Q开关224后变为圆偏振光经全反射镜225反射再次通过电光Q开关224后变为S偏振光，S偏振光与起偏器的偏振方向垂直，光在腔内损耗过大无法形成振荡产生激光输出。

基于上述的分析，可以理解的是本发明提供的电光调Q开关在改变激光腔内光路的同时不会对腔内激光偏振态的精确控制产生扰动，与布儒斯特角切割的LN电光调Q开关在激光谐振腔内产生的效果相同，可以作等效替换。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。