鉭酸鋰電光調Q晶體開關的制備研究

李清連，商繼芳，吳 婧，張 玲，孫 軍

(1.南開大學物理科學學院，天津 300071；2.南開大學教育部弱光非線性光子學重點實驗室，天津 300457；3.山西大學極端光學協同創新中心，太原 030006；4.河南工程學院理學院，鄭州 451191)

1 引 言

納秒激光器具有峰值功率高的優點，被廣泛應用于激光測距、紅外對抗、目標指示等軍工領域以及激光雕刻、激光加工、激光醫療等民用領域[1-4]。絕大多數納秒脈沖激光都是利用電光調Q的技術獲得的，而其核心材料是電光調Q晶體。在國防和民用領域得到實用化的電光調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，是實用化的電光調Q晶體之一。但該晶體易潮解，須配有特殊的防潮密封裝置，這就會導致器件的插入損耗增加。同時KD*P電光調Q為縱向調制，電場方向與通光方向一致，電場不易均勻，影響激光系統的動靜比。此外，KD*P晶體低溫下無法使用，必須配備加熱系統[5-8]。LN晶體性能穩定且不潮解，電光系數高，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Q方面也得到了一定的應用，晶體性能穩定、損傷閾值高，是目前高重頻電光調Q開關優選材料之一。但RTP晶體生長困難，晶體價格過于昂貴，使其在民用領域廣泛應用受到很大的阻礙[13-14]。

鉭酸鋰(LT，LiTaO3)晶體與LN晶體結構類似、性能類似、制備技術類似，晶體性能穩定不潮解，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]，是一種具有應用前景的電光調Q晶體。但是LT晶體在沿C軸通光時對應的電光系數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。當沿X或Y方向通光時，對應的有效電光系數較大，但同時也會引入由自然雙折射導致的相位延遲，而且受溫度影響較大，嚴重影響調Q開關的性能。為了實現LT-Q開關的電光調制，需要采用雙晶體匹配的方法補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量及加工質量也提出了較高的要求。目前尚沒有關于LT電光調Q開關研制和應用的報道。

本文工作中，從LT雙晶匹配實現電光調Q的原理出發，首先分析了晶體通光方向晶向角、尺寸偏差等對補償自然雙折射引起相位延遲的影響，然后以調Q開關達到100∶1的消光比為目標，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Q晶體。采用錐光干涉的方法表征了LT調Q開關匹配后的光學質量，并通過上機測試，表征了其調Q性能。

2 理論分析

2.1 鉭酸鋰電光調Q開關的工作原理

首先對LT電光調Q開關的工作原理進行說明，LT晶體的電光系數矩陣為[18]：

當沿晶體Z方向施加電場E時，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。將上式數學近似后，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Q開關的工作示意圖如圖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，其滿足關系式

(5)

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

由公式(4)可以看出，只有當兩塊匹配晶體完全相同時，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，由公式(4)可以求得對應的半波電壓如公式(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

在實際應用中，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，這個偏差將導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，進而影響調Q效果。

當加壓式調Q時，LT電光調Q開關和1/4波片均置于偏振鏡和全反鏡之間，當調Q晶體加上1/4波電壓后，調Q系統的透過率T可表示為

(7)

調Q開關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償，則將影響調Q系統的透過率，進而影響消光比[19]。設晶體通光方向的長度l為10 mm，加電方向長度d為9 mm，根據式(4)和(7)，結合折射率橢球理論，將LT晶體的no、ne及γc等參數代入公式可以算出，要達到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。要達到更高的消光比，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，一般實際應用中，這些影響因素是同時存在的，因此在實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Q晶體的加工

3.1 晶體選材

實驗所用的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、并經過單疇化處理的C軸晶體。雖然熔體為同成分配比，但實際上由于同成分點選擇的不同、晶體生長過程Li揮發、組分過冷等因素，使長出來的晶體首尾組分存在偏差，進而嚴重影響了晶體縱向的光學均勻性。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均勻性一致，便于配對，晶體取樣時，同一對調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

綜合晶體的光學質量、光斑大小及半波電壓等因素，實驗中定LT調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°)。

實際應用中，一般對調Q晶體要求其通光方向兩端面的平行度優于10″，平面度優于λ/8@632.8 nm。當組盤后整個拋光面的直徑為50 mm時，整盤晶體兩光學表面間的長度差小于2 μm，當兩匹配晶體相鄰時偏差更小。當拋光面的平面度為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，該值遠小于理論計算值5.6 μm。因此認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，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。假設上盤時基面與平晶平面間的平面度偏差為一個光圈(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′。而準平晶面型(0.1 μm)引入的角度偏差更小，可忽略。因此認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、光潔度等指標進行檢測，結果表明，晶體軸向角偏差為±2′，平面度優于λ/8@632.8 nm，平行度為8″，光潔度達到10/5。

4 結果與討論

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]，進一步判斷晶體加工指標是否滿足要求。圖3為不同晶體匹配后的結果。

其中左圖為嚴格按照要求選料、加工出來的晶體的匹配圖，圖中十字正交，干涉環清晰且分布對稱，證明二者匹配較好，能夠補償自然雙折射引起的相位延遲。右圖中兩晶體的加工指標滿足上述理論要求，但是晶體為隨機選料，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均勻性較差或二者光學均勻性差別較大，進而對匹配效果產生了較大的影響，進而也說明了雙晶匹配的LT調Q開光對晶體的光學質量要求較高。

圖3 LT調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 激光器上機實驗

在脈沖氙燈泵浦的Nd,Ce∶YAG激光系統中，對LT電光調Q開關的性能進行了研究。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。激光輸出波長為1064 nm，脈寬為7 ns。雙晶匹配的LT調Q開關兩通光面均鍍有1064 nm單點增透膜，剩余反射率小于0.5%，Z方向鍍有金電極。采用加壓式工作，重復頻率為1 Hz。

實驗中發現激光器靜態輸出能量約為190 mJ，當給晶體加上四分之一波電壓后開關無法完全關斷，匹配后錐光干涉圖較好的LT調Q開關只漏2 mJ，而錐光干涉圖較差的LT調Q開關漏光約10 mJ，說明LT調Q開關沒有實現完全的相位匹配。圖4中的左圖是匹配較好的LT調Q開關工作后打出的激光光斑，光斑分布均勻對稱，且形狀規則。右圖是匹配較差LT調Q開關工作后打出的激光光斑，光斑形狀畸變嚴重。

上述實驗初步證明匹配較好的LT調Q開關可以滿足實際應用需求。

5 結 論

當沿LT晶體Z軸方向加電、沿X或Y方向通光進行電光應用時可以利用其較大的電光系數，但是自然雙折射會引入額外的相位延遲，文中采用雙晶匹配的方法來補償自然雙折射引起的相位差。從LT雙晶匹配調Q開關工作的原理出發，以X軸為通光方向，估算當單塊晶體通光方向長度為10 mm時，若要調Q開關消光比達到100∶1時，要求整個開關通光方向與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。然后通過對稱取樣來保證匹配晶體的光學質量差，通過以準平晶為基準面組盤、同盤拋光的方法保證晶體的加工質量，進而制備了雙晶匹配LT調Q開關。最后又采用錐光干涉的方法表征了匹配后晶體的光學性能，通過上機實驗，從輸出激光能量及光斑質量角度分析了LT調Q開關的性能，認為匹配較好的LT調Q開關能夠滿足實際應用的需求。