張澤紅，陳 國，何曉亮，王曉新

(1. 中國電子科技集團公司 第二十六研究所，重慶 400060;2. 中國電子科技集團公司 第十一研究所, 北京 100015)

0 引言

2.7 μm激光在激光醫(yī)療、紅外抽運、激光光譜學及紅外對抗等領(lǐng)域有潛在的應用前景。目前2.7 μm激光器中常用的聲光Q開關(guān)用氧化碲晶體材料制作[1]。氧化碲晶體的聲光優(yōu)值較高，光吸收很小，但抗激光損傷能力較差，易被高功率脈沖激光打壞[2]。

本文介紹了一種基于鈮酸鋰(LiNbO3，LN)晶體材料制作的2.7 μm聲光Q開關(guān)。與氧化碲晶體相比，LiNbO3晶體的聲光優(yōu)值較低，需要使用更高的驅(qū)動電功率，但LiNbO3晶體的抗激光損傷能力較高[3]，能較好地解決高功率2.7 μm激光器的調(diào)Q問題。

1 聲光材料特性

2.7 μm聲光Q開關(guān)是用于激光腔內(nèi)的光學元件，若要長期在高功率的激光下穩(wěn)定工作，必須選用聲光性能穩(wěn)定、純度高、吸收小及損傷閾值高的聲光介質(zhì)。

常用的近紅外聲光材料有紅外熔石英、石英晶體、氧化碲晶體和LiNbO3晶體。紅外熔石英和石英晶體在2.7 μm波長存在較大的光吸收，如圖1、2 所示，不適合制作2.7 μm聲光Q開關(guān)。

圖1 紅外熔石英(35 mm長)透過率曲線

圖2 石英晶體(35 mm長)透過率曲線

氧化碲晶體屬于422點群四方晶系,密度為5 990 kg/m3，透光區(qū)為0.35～5 μm，在波長2.7 μm處無吸收(見圖3)，且聲光優(yōu)值較高(35×10-15s3/kg)，可用于制作2.7 μm聲光Q開關(guān)。美國Brimrose公司、英國Gooch & Housego公司及中國電子科技集團公司第二十六研究所都使用氧化碲晶體開發(fā)了2.7 μm波段的聲光Q開關(guān)。此2.7 μm聲光Q開關(guān)適合小功率激光器，但在大功率激光器內(nèi)調(diào)Q時易出現(xiàn)激光打壞通光面的現(xiàn)象，無法滿足整機單位的高功率激光調(diào)Q要求。

圖3 氧化碲晶體(35 mm長)透過率曲線

LN晶體具有良好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性,是常用的電光晶體材料，與氧化碲晶體相比，其聲光優(yōu)值較低(7×10-15s3/kg)，需要使用更高的驅(qū)動電功率。在1.064 μm波段，LiNbO3晶體的損傷閾值約為200 MW/cm2,氧化碲晶體的損傷閾值約為50 MW/cm2,顯然LN晶體的損傷閾值更高。LN晶體透過率曲線如圖4所示。由圖可見，LN晶體材料在2.7 μm沒有吸收，可用于制作2.7 μm聲光Q開關(guān)。

圖4 LN晶體(35mm長)透過率曲線

LN晶體是一種很特別的晶體材料，內(nèi)部存在鋰空位和反位鈮兩種本征缺陷，能容納大量外來雜質(zhì)(如鎂、鉿、鋯、鐵、銅、錳、鈰、鋅、銦、鈧等)。文獻[4-5]報道，摻雜能提高材料的抗激光損傷能力。3次摻雜3%～5% MgO(摩爾質(zhì)量)的LN晶體發(fā)現(xiàn)，摻鎂LN晶體內(nèi)部存在大量的生長條紋,嚴重影響了晶體的光學均勻性，即使優(yōu)選出沒有明顯條紋的晶體也存在惡化激光模式，發(fā)生光斑畸變的問題，如圖5所示。測試輸入光波長為633 nm時，光束質(zhì)量因子M2的x、y分量值分別為1.001、1.012。經(jīng)過摻鎂LN晶體后，M2的x、y分量值分別為1.188、1.244。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是鎂在LN晶體中的分凝系數(shù)大于1,導致?lián)芥VLN晶體在生長過程中的分凝現(xiàn)象嚴重。

圖5 激光穿過摻鎂LN晶體后的模式

無摻雜的高純LN晶體不會發(fā)生惡化激光模式的現(xiàn)象，激光穿過高純LN晶體后的光斑如圖6所示。由圖可知，M2的x、y分量值未發(fā)生明顯變化，因此，2.7 μm聲光調(diào)Q器件選用高純LN晶體作為聲光介質(zhì)材料。

圖6 激光穿過高純LN晶體后的模式

2 衍射效率

衍射效率是表征聲光Q開關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)指標，對激光器的調(diào)Q性能具有決定性的作用。根據(jù)聲光互作用理論，通常驅(qū)動功率越高，聲光Q開關(guān)的衍射效率越高，但應用中功耗越低越好，因此需根據(jù)激光器的特性合理設計聲光Q開關(guān)的超聲波聲場分布，充分利用超聲能量，以小驅(qū)動電功率得到高衍射效率。

好的激光器能量一般都按照高斯分布設計(見圖7)。由圖可知，光束中心部位能量高，兩邊能量低。根據(jù)激光器的調(diào)Q理論，關(guān)斷激光的衍射效率也是中心部位高，兩邊低。因此，需把聲光Q開關(guān)的表電極按菱形設計。如圖8所示，表電極中心部位對應通光孔徑D1=3 mm，表電極兩端的尺寸D2=1.3 mm，表電極長度(聲光互作用長度)L=28 mm。根據(jù)聲光互作用理論[6]，衍射效率與L成正比。因此，通光孔中心部位L較長，衍射效率較高；通光孔兩邊L較短，衍射效率較低，能較好地符合高斯分布的激光特性，達到既能將激光關(guān)斷，又能降低驅(qū)動電功率的目的。

圖7 高斯分布的激光

圖8 表電極與衍射效率

2.7 μm聲光調(diào)Q器件的工作頻率f=40.68 MHz，L=28 mm，D1=3 mm，在電功率為40 W時，通光孔中心部位的衍射效率可達75%，測試光的偏振態(tài)為豎直偏振光。如果D1范圍都要求達到中心部位的衍射效率，驅(qū)動功率還需提高40%，而通光孔兩邊的激光功率較弱，較高的衍射效率不能完全發(fā)揮作用，浪費了驅(qū)動功率。因此，采用高斯型分布衍射效率，能達到降低驅(qū)動功率、提高關(guān)斷激光能力的目的。

3 調(diào)Q實驗

2.7 μm聲光調(diào)Q器件通光面鍍的是窄帶增透膜，在波長2.7～2.8 μm內(nèi)器件的透過率均大于98.3%，可用于2.7μm激光器，也可用于2.79 μm激光器。使用時，2.7 μm聲光調(diào)Q器件安裝在激光腔內(nèi)，根據(jù)驅(qū)動器信號控制激光腔Q值，產(chǎn)生脈沖激光，如圖9所示。激光腔內(nèi)Q值與衍射效率的關(guān)系為

圖9 聲光Q開關(guān)應用示意圖

(1)

從式(1)可見，衍射效率與激光腔內(nèi)Q值成反比，衍射效率越高，改變激光腔Q值的能力越強，要關(guān)斷高功率的激光須有高的衍射效率。

在泵浦功率為 400 W 時，激光器輸出2.79 μm連續(xù)激光23.9 W。聲光Q開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)時剩余激光功率小于1 W，達到了關(guān)斷激光的目的。調(diào)Q激光脈沖的半峰全寬(FWHM)為 59.9 ns(見圖10)，器件能長時間穩(wěn)定工作，未出現(xiàn)激光損壞的情況。而氧化碲制作的聲光Q開關(guān)只能承受小于10 W的激光，激光功率再增加，氧化碲通光面易被激光損壞，因此，LN晶體制作的聲光Q開關(guān)的抗損傷閾值更高，能滿足更高功率激光器的調(diào)Q問題。

圖10 激光調(diào)Q脈沖

4 結(jié)束語

鈮酸鋰晶體光學性能較好，與氧化碲相比，抗激光損傷能力提高，但其聲光優(yōu)值較低。為了彌補聲光優(yōu)值較低的缺陷，充分利用驅(qū)動電信號的能量，采用菱形表電極設計，使通光孔中心部位互作用長度較長，衍射效率較高；通光孔兩邊互作用長度較短，衍射效率較低，較好地滿足了高斯型能量分布激光器的調(diào)Q要求。但這種聲光調(diào)Q器件的透過率不高，可能是鈮酸鋰晶體及鍍膜材料中羥基(OH-)未完全去除，羥基(OH-)吸收了激光。