一种电光调Q晶体器件、制备方法及电光调Q激光器

一种电光调q晶体器件、制备方法及电光调q激光器
技术领域
1.本发明涉及调q器件技术领域。更具体地，涉及一种电光调q晶体器件、制备方法及电光调q激光器。


背景技术：

2.电光调q技术作为一种重要的获得窄脉宽、高峰值功率激光的调q技术，其原理是利用晶体的电光效应，使通过晶体的激光的偏振状态发生改变，实现激光器谐振腔内损耗的突变，从而控制能量在腔内或激光工作物质中的存储和快速释放，具有开关时间短、效率高、峰值功率高等优势。目前，电光调q晶体以及器件在国防、医疗、通信、光刻及激光加工等不同领域都有重大需求。
3.尽管许多晶体都具有电光效应，但是实际投入到电光调q器件中使用的实用晶体并不多。目前应用于电光调q器件的电光晶体材料主要有磷酸二氘钾dkdp(kd2po4)、铌酸锂ln(linbo3)、偏硼酸钡bbo(β-bab2o4)、磷酸钛氧铷rtp(rbtiopo4)、磷酸钛氧钾ktp(ktiopo4)以及硅酸镓镧lgs(la3ga5sio
14
)等。这些电光晶体材料存在一定的缺点，具体如下所示：
4.dkdp晶体由于从水溶液中生长而成，容易吸潮，且dkdp晶体多采用纵向调制方式工作，通光方向和加电场方向一致，需要镀上透明电极，然而在高平均功率的工作过程中，会因为热效应而导致退偏。
5.ln晶体的损伤阈值低，光学均匀性差、并且容易发生光折变现象。化学计量比的ln单晶生长困难，导致晶体质量参差不齐，在高功率高重复率激光系统中的应用会受到限制。
6.rtp晶体为双轴晶，使用不方便，同时还会受到晶体生长尺寸的限制，使得该晶体的通光孔径较小。ktp晶体的结构与rtp的结构相同，其基本光学性能相当，但是由于ktp晶体具有较高的电导率和“灰迹”问题，从而影响其在高功率激光中的应用。同时，rtp晶体和ktp晶体存在静态双折射而导致的相位延迟的问题，并且在晶体工作过程中，温度的变化也会影响静态双折射的折射率，进而影响调q器件的消光比和调q的关门效果。
7.光学级的lgs晶体难以生长，且由于lgs晶体具有旋光性，在实际的电光使用中不太方便。bbo晶体的损伤阈值较高，但是bbo晶体的弱潮解性和电光系数较小导致半波电压过高，并且要生长出厚度尺寸能够满足实际应用的晶体有一定的难度，这些因素都限制了其在电光调q中的广泛应用。
8.因此，为了克服现有技术存在的技术缺陷，需要提供一种新的电光调q晶体器件、制备方法及电光调q激光器。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于提供一种电光调q晶体器件、制备方法及电光调q激光器，以解决现有技术中存在的技术问题中的至少一个。
10.为了达到上述目的中至少一个，本发明采用下述技术方案：
11.本发明第一方面提供一种电光调q晶体器件，包括：
12.沿所述电光调q晶体器件的通光方向设置的第一电光晶体和第二电光晶体；
13.所述第一电光晶体包括分别设置在其沿通光方向延伸的两相对侧面的第一电极膜；
14.所述第二电光晶体包括分别设置在其沿通光方向延伸的两相对侧面的第二电极膜；
15.所述第二电光晶体与所述第一电光晶体的结构相同，第二电光晶体的所述相对侧面与所述第一电光晶体的所述相对侧面之间存在设定的夹角。
16.可选地，所述第二电光晶体的所述相对侧面与所述第一电光晶体的所述相对侧面之间存在的夹角为90
°
。
17.可选地，所述第一电光晶体和第二电光晶体均为锗酸钛铷锂晶体。
18.可选地，所述锗酸钛铷锂晶体的化学式为rb4li2tige4o
13
；
19.所述锗酸钛铷锂晶体为非中心对称结构，属于四方晶系，空间群为p4nc；
20.单胞参数为α＝90
°
，β＝90
°
，γ＝90
°
，z＝2，
21.可选地，所述第一电光晶体在通光方向上的延伸长度和所述第二电光晶体在通光方向上的延伸长度相同。
22.可选地，所述第一电极膜和第二电极膜的材质为不透光的材质或透光的材质。
23.可选地，所述第一电极膜和第二电极膜的材质均为金、银、铝或铂金属。
24.本发明第二方面提供一种如本发明第一方面所提供的电光调q晶体器件的制备方法，包括：
25.在电光晶体原晶上按电光应用方向切割得到第一电光晶体和第二电光晶体；
26.对切割得到的所述第一电光晶体的通光面以及所述第二电光晶体的通光面分别进行精密光学抛光；
27.分别在第一电光晶体的沿通光方向延伸的两相对侧面设置第一电极膜以及在所述第二电光晶体的沿通光方向延伸的两相对侧面设置第二电极膜，所述第一电极膜与所述第二电极膜呈平行设置；
28.将所述第二电光晶体相对于所述第一电光晶体绕通光方向旋转设定角度，以使得第二电光晶体的所述相对侧面与所述第一电光晶体的所述相对侧面之间存在设定的夹角。
29.本发明第三方面提供一种电光调q激光器，包括：
30.激光光源以及沿激光光轴方向依次设置在所述激光光源的出光侧的光学起偏器、如本发明第一方面所提供的电光调q晶体器件以及光学检偏器；
31.所述激光光源用于发射激光光束；
32.所述光学起偏器用于将自激光光源所出射的激光光束调节为线偏振光；
33.所述光学起偏器的偏振方向与所述光学检偏器的偏振方向相互垂直。
34.可选地，所述光学起偏器和所述光学检偏器为线偏振片。
35.本发明的有益效果如下：
36.针对现有技术中存在的技术问题，本发明的实施例提供一种电光调q晶体器件、制备方法及电光调q激光器，该实施例的电光调q晶体器件通过设置第二电光晶体的所述相对
侧面与第一电光晶体的所述相对侧面之间存在设定的夹角，也就是说，第二电光晶体沿第一电光晶体的通光方向设置，且第二电光晶体相对于第一电光晶体转动一定角度，从而可有效补偿静态双折射的相位延迟，消除温度对电光调q器件的静态双折射的折射率的影响，保证调q器件的消光比。
附图说明
37.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
38.图1示出本发明的一个实施例中的电光调q晶体器件的制备方法流程图。
39.图2示出本发明的一个实施例中的电光调q激光器的结构示意图。
具体实施方式
40.在下述的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或者多个实施方式的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施方式。
41.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
42.还需要说明的是，在本发明的描述中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
43.为解决现有技术中存在的问题，本发明的一个实施例提供一种电光调q晶体器件，该电光调q晶体器件包括沿电光调q晶体器件的通光方向设置的第一电光晶体30和第二电光晶体40；即，第一电光晶体30、第二电光晶体40呈同轴设置，即呈同通光方向的光轴设置。
44.在一个具体示例中，该电光调q晶体器件的通光方向可为如图2所示的y方向，该通光方向垂直于第一电光晶体30和第二电光晶体40的通光面，如第一电光晶体30和第二电光晶体40的左右侧表面。在另一个具体示例中，该电光调q晶体器件的通光方向也可为如图2所示的x方向，第一电光晶体30和第二电光晶体40的前后侧表面。在其他示例中，该电光调q晶体器件的通光方向还可以为晶体学x轴和y轴所形成的平面内的任意方向，如晶向《110》或《120》方向。
45.其中，第一电光晶体30包括分别设置在其沿通光方向延伸的两相对侧面的第一电极膜31；第二电光晶体40包括分别设置在其沿通光方向延伸的两相对侧面的第二电极膜
41。其中，第一电极膜31和第二电极膜41分别用于与导电线连接，从而与高压电源60的正负电极电源连接，第一电极膜31和第二电极膜41可使得形成的电场更加均匀分布。
46.另外，第二电光晶体40与第一电光晶体30的结构相同，第二电光晶体40的该相对侧面与第一电光晶体30的该相对侧面之间存在设定的夹角。
47.在一个具体示例中，第一电光晶体30和第二电光晶体40通过电光晶体原晶上按照电光应用方向切割得到，第一电光晶体30和第二电光晶体40的初始状态时，即标注了该第一电光晶体30和第二电光晶体40的x方向、y方向及z方向。第一电光晶体30和第二电光晶体40的外加电场方向为沿z轴方向，第一电光晶体30和第二电光晶体40在与z方向垂直的平面(即上下侧表面)上分别形成第一电极膜31和第二电极膜41，也就是说，第二电光晶体40是在与第一电光晶体30的相对侧表面(即上下侧表面)相同侧的上下侧面上形成的第二电极膜41，再将第二电光晶体40相对于第一电光晶体30绕通光方向光轴转动，也即是说，第二电光晶体40尚未相对于第一电光晶体30绕通光方向光轴转动时，第一电极膜31所在的相对侧面与第二电极膜41所在的相对侧面相互平行。
48.例如，第一电光晶体30的上下侧表面上形成第一电极膜31，对应地，第二电光晶体40的上下侧表面形成第二电极膜41，即刚切割完成后的第一电光晶体30的第一电极膜31与第二电光晶体40的第二电极膜41相互平行，均位于第一电光晶体30和第二电光晶体40的上下侧表面上。随后，第二电光晶体40相对于第一电光晶体30绕通光方向的光轴转动的角度例如可为：30
°
、60
°
或90
°
，以使得第二电光晶体40的相对侧面(即第二电极膜41所在的表面)与第一电光晶体30的相对侧面(即第一电极膜31所在的表面)之间存在设定的角度。
49.该实施例的电光调q晶体器件通过设置第二电光晶体的所述相对侧面与第一电光晶体的所述相对侧面之间存在设定的夹角，也就是说，第二电光晶体沿第一电光晶体的通光方向设置，且第二电光晶体相对于第一电光晶体转动一定角度，从而可有效补偿静态双折射的相位延迟，消除温度对电光调q晶体器件的静态双折射的折射率的影响，保证电光调q晶体器件的消光比。
50.从强度调制的情况说明该实现方式的电光调q晶体器件的工作原理。
51.当外部激光光源经过起偏器变为线偏振光，线偏振光通过第一电光晶体30时所产生的的相位延迟如下所示：
[0052][0053]
其中，ne为非寻常光折射率；no为寻常光折射率；l为第一电光晶体30沿通光方向的延伸长度；e为施加在第一电光晶体30上的电场强度；λ为入射光的波长。γ13和γ33为晶体的电光系数。上述相位延迟公式中，第一项为自然双折射所引起的相位延迟，与施加在第一电光晶体30上的外加电场无关，而第二项为由外加电场的作用所产生的，利用晶体的γ13和γ33电光系数的横向调制电光效应。
[0054]
在该实施例中，通过在沿第一电光晶体30的通光方向上，放置与第一电光晶体30的结构相同的第二电光晶体40，并将第二电光晶体40相对第一电光晶体30绕通光光轴转动，使得通过第一电光晶体30和第二电光晶体40的外部激光光束所产生的相位延迟中的第一常数项(即自然双折射项)得到一定的补偿，从而可有效补偿静态双折射导致的相位延迟，消除温度对电光调q晶体器件的静态双折射的折射率的影响，保证电光调q晶体器件的
消光比。
[0055]
在一种可能的实现方式中，第二电光晶体的相对侧面与第一电光晶体的相对侧面之间存在的夹角为90
°
，即第一电光晶体30和相对侧面和第二电光晶体40的相对侧面相互垂直，也即是说，第二电光晶体40相对于第一电光晶体30旋转90
°
设置，从而抵消式(i)中的第一项，即静态双折射项，使得该实现方式的电光调q晶体器件能够完美补偿通过第一电光晶体30和第二电光晶体40后的光束的自然双折射，使得式(i)仅剩下第二项由外加电场的作用产生的相位延迟，进一步消除温度对电光调q晶体器件的静态双折射的折射率的影响，保证电光调q晶体器件的消光比。
[0056]
在一种可能的实现方式中，第一电光晶体和第二电光晶体均为锗酸钛铷锂(rltg)晶体。在一个具体示例中，该锗酸钛铷锂晶体的化学式为rb4li2tige4o
13
；锗酸钛铷锂晶体为非中心对称结构，属于四方晶系，空间群为p4nc，该晶体在x和y方向上的折射率相同，无需严格区分，同时在该晶体使用过程中，在x方向和y方向上不需要精准定向，相比于现有技术的ktp和rtp类晶体，使用起来更加方便，通过利用rltg晶体的γ13和γ33电光系数的横向调制电光效应，从而使得操作更加简单，且插入损耗更低。
[0057]
另外，锗酸钛铷锂晶体的单胞参数为另外，锗酸钛铷锂晶体的单胞参数为α＝90
°
，β＝90
°
，γ＝90
°
，z＝2，可理解的是，设计非线性光学材料的关键是如何诱导形成非中心对称结构以及提高其二阶非线性光学效应。本实现方式通过将含有d0电子构型的ti
4+
复合到一个化合物中，形成畸变较大的tio5四方锥配位构型，并与刚性的sio4四面体共顶连接形成结构骨架，其他碱金属阳离子离子填充于骨架的空隙之中以维持整体的电荷平衡。
[0058]
在一种可能的实现方式中，第一电光晶体在通光方向上的延伸长度和第二电光晶体在通光方向上的延伸长度相同，第一电光晶体30和第二电光晶体40的结构(包括长度、宽度和高度)相同，从而激光光束通过第一电光晶体30和第二电光晶体40所产生的相位延迟中的第一项(即自然双折射项)的长度相同，正好相互抵消，完美补偿线偏振光通过第一电光晶体30和第二电光晶体40产生的自然双折射，进一步消除温度对电光调q晶体器件的静态双折射的折射率的影响。
[0059]
在一种可能的实现方式，第一电极膜31和第二电极膜41的材质为不透光的电极材质或透光的电极材质。在一个具体示例中，第一电极膜31和第二电极膜41的材质可为金au、银ag、铝al或铂pt金属。
[0060]
本发明的另一个实施例提供一种如上述实施例所提供的电光调q晶体器件的制备方法，如图1所示，该制备方法包括：
[0061]
s1、在电光晶体原晶上按电光应用方向切割得到第一电光晶体30和第二电光晶体40；
[0062]
s2、对切割得到的第一电光晶体30的通光面以及第二电光晶体40的通光面分别进行精密光学抛光；
[0063]
在一个具体示例中，通光方向为如图2所示的y方向，该通光方向垂直于第一电光晶体30和第二电光晶体40的通光面，即，第一电光晶体30和第二电光晶体40的左右侧表面。在另一个具体示例中，通光方向也可为如图2所示的x方向，第一电光晶体30和第二电光晶
体40的通光面为前后侧表面。
[0064]
s3、分别在第一电光晶体30的沿通光方向延伸的两相对侧面设置第一电极膜31以及在第二电光晶体40的沿通光方向延伸的两相对侧面设置第二电极膜41，第一电极膜31与第二电极膜41呈平行设置；其中，第一电光晶体30的两相对侧面与其通光面相互垂直，第二电光晶体40的两相对侧面与其通光面相互垂直，例如分别在第一电光晶体30和第二电光晶体40的如图2所示的与z轴方向垂直的上下侧面上设置第一电极膜31和第二电极膜41，使得此时的第一电极膜31所在的相对侧面与第二电极膜41所在的相对侧面相互平行，即第一电极膜31和第二电极膜41分别位于第一电光晶体30和第二电光晶体40的同一相对侧表面上。
[0065]
s4、将第二电光晶体40相对于第一电光晶体30绕通光方向旋转设定角度，以使得第二电光晶体40的相对侧面与第一电光晶体30的相对侧面之间存在设定的夹角。
[0066]
本发明的又一个实施例提供一种电光调q激光器，如图2所示，包括激光光源10以及沿激光光轴方向依次设置在激光光源10的出光侧的光学起偏器20、如上述实施例中所提供的电光调q晶体器件以及光学检偏器50；光学起偏器20、第一电光晶体30、第二电光晶体40以及光学检偏器50呈同轴设置，即呈同激光光轴设置。
[0067]
其中，激光光源10用于发射激光光束；光学起偏器20用于将自激光光源10所出射的激光光束调节为线偏振光；光学起偏器20的偏振方向与光学检偏器的偏振方向50相互垂直。在一个具体示例中，光学起偏器20和光学检偏器50为线偏振片。
[0068]
在一个具体实例中，光学起偏器20和光学检偏器50的偏振方向相互正交，当第一电光晶体30和第二电光晶体40均未加载λ/2电压，经过光学起偏器20调节后的线偏振光无法通过光学检偏器50，此时无激光输出；当第一电光晶体30和第二电光晶体40通电加载λ/2电压后，因电光效应产生π的相位差，线偏振光的振动方向相应地旋转90
°
，即可通过与光学起偏器20的偏振方向正交的光学检偏器50，从而输出激光。
[0069]
在一个具体示例中，从激光光源10出射的激光经过光学起偏器20变为线偏振光，随后依次经过并联施加电压的第一rltg晶体30和第二rltg晶体40，最后通过光学检偏器50出射。其中，第一rltg晶体30和第二rltg晶体40的加电场方向均为z方向，通光方向为y方向，第二rltg晶体40相对第一rltg晶体30的通光方向延伸且相对第一rltg晶体30旋转90
°
设置，光学起偏器20的偏振方向与光学检偏器的偏振方向50相互垂直，且偏振方向均与z轴呈45
°
角。
[0070]
其中，线偏振光通过第一rltg晶体30所产生的相位延迟如式(i)所示。
[0071]
在线偏振光通过第二rltg晶体40后，晶体的自然双折射项被完全补偿，总的相位延迟为：
[0072][0073]
由此可见，该示例的电光调q激光器可完美补偿rltg晶体作为电光调q晶体器件的自然双折射，消除了温度稳定性对电光q晶体器件的静态双折射变化的影响，保证了电光q晶体器件的消光比。随着施加在晶体上的电压的改变，相位延迟发生变化，最后出射的光束强度发生变化，从而实现光强度调制。
[0074]
下面将参照实例对本发明的电光调q晶体器件进行具体说明。
[0075]
实施例1通光方向为y方向的rltg电光调q晶体器件
[0076]
该实施例的电光调q晶体器件包括有相同结构的第一电光晶体30和第二电光晶体40，其中，第一电光晶体30和第二电光晶体40均为rltg晶体，通光方向为晶体学y方向，通光面分别为第一电光晶体30和第二电光晶体40的垂直于通光方向左右侧表面，通光面的截面尺寸为3x3mm2。另外，第一电光晶体30和第二电光晶体40在通光方向上的长度相同，均为10mm。第一电光晶体30和第二电光晶体40的两侧通光面为精密抛光，第一电光晶体30其沿通光方向延伸且垂直于晶体学z轴方向的两相对侧面设置有金电极，第二电光晶体40的沿通光方向延伸且垂直于晶体学z轴方向的两相对侧面设置有金电极，其中，第一电光晶体30和第二电光晶体40的外加电场方向为沿z轴方向。另外，第二电光晶体40的相对侧面与第一电光晶体30的相对侧面之间存在的夹角为90
°
，即第一电光晶体30的相对侧面与第二电光晶体40的相对侧面相互垂直，也就是说，第二电光晶体40沿第一电光晶体30的通光方向延伸，相对于第一电光晶体30绕通光方向旋转90
°
设置。该实施例的调q器件随着第一电光晶体30和第二电光晶体40上的电压的变化，使得最后出射的光束强度发生变化，从而实现光强度调制。
[0077]
实施例2通光方向为x方向的rltg电光调q晶体器件
[0078]
该实施例的电光调q晶体器件包括有相同结构的第一电光晶体30和第二电光晶体40，其中，第一电光晶体30和第二电光晶体40均为rltg晶体。通光方向为晶体学x方向，通光面分别为第一电光晶体30和第二电光晶体40垂直于通光方向的前后侧表面，通光面的截面尺寸为4x4mm2。另外，第一电光晶体30和第二电光晶体40的在通光方向上的长度相同，均为20mm。第一电光晶体30和第二电光晶体40的两侧通光面为精密抛光，第一电光晶体30其沿通光方向延伸且垂直于晶体学z轴方向的两相对侧面设置有金电极，第二电光晶体40的沿通光方向延伸且垂直于晶体学z轴方向的两相对侧面设置有金电极。其中，第一电光晶体30和第二电光晶体40的外加电场方向为沿z轴方向。另外，第二电光晶体40沿第一电光晶体30的通光方向延伸，相对于第一电光晶体30绕通光方向旋转90
°
设置。
[0079]
实施例3通光方向为沿晶向《110》的方向的rltg电光调q晶体器件
[0080]
该实施例的电光调q晶体器件包括有相同规格尺寸的第一电光晶体30和第二电光晶体40，其中，第一电光晶体30和第二电光晶体40均为rltg晶体。通光方向为沿第一电光晶体30和第二电光晶体40的晶体学《110》方向，通光面的截面尺寸为5x5mm2。另外，第一电光晶体30和第二电光晶体40的在通光方向上的长度相同，均为25mm。第一电光晶体30和第二电光晶体40的两侧通光面为精密抛光，第一电光晶体30其沿通光方向延伸且垂直于晶体学z轴方向的两相对侧面设置有金电极，第二电光晶体40的沿通光方向延伸且垂直于晶体学z轴方向的两相对侧面设置有金电极。其中，第一电光晶体30和第二电光晶体40的外加电场方向为沿z轴方向，第二电光晶体40沿第一电光晶体30的通光方向延伸，相对于第一电光晶体30绕通光方向旋转90
°
设置。
[0081]
实施例4通光方向为任意方向的rltg电光调q晶体器件
[0082]
该实施例的调q器件包括有相同规格尺寸的第一电光晶体30和第二电光晶体40，其中，第一电光晶体30和第二电光晶体40均为rltg晶体。通光方向为晶体学x轴和y轴所形成的平面内的任意方向，且第一电光晶体和第二电光晶体的通光方向相同，通光面的截面尺寸为6x5mm2。另外，第一电光晶体30和第二电光晶体40的在通光方向上的长度相同，均为15mm。第一电光晶体30和第二电光晶体40的两侧通光面为精密抛光，第一电光晶体30其沿
通光方向延伸且垂直于晶体学z轴方向的两相对侧面设置有金电极，第二电光晶体40的沿通光方向延伸且垂直于晶体学z轴方向的两相对侧面设置有金电极。其中，第一电光晶体30和第二电光晶体40的外加电场方向为沿晶体学z轴方向，第二电光晶体40沿第一电光晶体30的通光方向延伸，相对于第一电光晶体30绕通光方向旋转90
°
设置。
[0083]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。