微型声光调Q开关

0 引言

声光调Q开关具有体积小，通光方向长度短，功耗低，无需冷却及控制方便等特点，能极大地促进纳秒级/亚纳秒级激光器的发展，在激光测距、激光成像等方面具有重要应用[1-3]。

本文利用氧化碲(TeO2)晶体，通过优化设计得到了工作于1 064 nm，光脉冲上升时间28.99 ns，光孔径∅0.8 mm，衍射损耗35%，尺寸 17.8 mm×6.8 mm×17.8 mm的微型Q开关，并理论分析了影响衍射损耗的因素。

1 微型声光调Q开关的基本原理

图1 微型声光调Q开关组成

微型声光调Q开关[1-3]由器件和驱动电源组成，器件和驱动电源通过一根高频电缆线连接，如图1所示。驱动电源[4]主要由控制电路、振荡电路和功率放大网络等组成。器件主要由电极、换能器、声光互作用介质、匹配电路等组成，如图2所示。驱动电源产生的射频信号传输到声光调Q开关器件内，经过匹配电路加载到压电换能器上。换能器激发超声波传入声光介质形成折射率光栅，当光通过折射率光栅时发生衍射。

图2 器件组成

如图3所示，当声光调Q开关工作时，衍射光偏离激光谐振腔，使谐振腔处于高损耗状态，品质因数(Q)值被降低，激光振荡不能形成。在泵浦源的作用下，上能级反转粒子数可以大量积累。当反转粒子数积累到最大值时突然使声光调Q开关停止工作，此时，腔内损耗减小，Q值突增，激光振荡迅速建立，在极短的时间内上能级反转粒子数被消耗，转变为腔内激光能量，从腔的输出端以单一脉冲形式释放出来，获得脉冲极短、峰值功率很高的1 064 nm波长激光[4-5]。

图3 驱动电源组成

图4为声光调Q开关工作原理示意图。

图4 声光调Q开关工作原理示意图

2 微型声光调Q开关设计

2.1 衍射损耗

衍射损耗[5]是指声光调Q开关在工作时，各级衍射光强度总和与器件关闭时0级光光强的比值。衍射损耗的高低直接影响声光调Q开关为激光器工作时产生的调制损耗的高低。衍射损耗越高，调制损耗越高，器件对激光的关断能力越强。

微型声光调Q开关采用布喇格衍射模式，衍射损耗的高低主要取决于器件的布喇格衍射效率。声光器件的布喇格衍射效率为

(1)

式中：P为驱动功率；k为机电耦合系数；M2为声光优值；L为换能器长度；H为换能器宽度；λ为器件工作的光波长[6-8]。

由式(1)可看出，η与L、P成正比，与H成反比。由于微型声光调Q开关器件整体通光方向长度的限制，器件的L设计为6.1 mm。微型声光调Q开关的H设计为1 mm。当L=6.1 mm、H=1 mm时，微型声光调Q的η与P关系如图5所示。

图5 η与P关系

由图5可看出，增大P能够提高器件的η。设计微型声光调Q开关的P>1.5 W，此时，器件衍射损耗大于30%。

2.2 光学透过率

声光调Q开关的透过率越高，在激光腔内的插入损耗越小，输出的激光功率越高。微型声光调Q开关声光互作用介质材料FeO2光学透过率为70%，折射率n=2.275 9。不镀增透膜达不到要求,因此要给器件镀增透膜。为了抗激光损伤、耐腐蚀，拟设计ZrO2(折射率n1=2.1)、SiO2(折射率n2=1.45)双层增透膜，如图6所示。

图6 双层增透膜结构

当两层膜厚均为λ/4时，单面反射率R为

(2)

由式(2)计算可得镀增透膜后器件通光面R=0.17%，器件光学透过率(1-R)2=99.67%。

图7 修正布喇格角

实际使用时，希望插入损耗越小越好。为了降低插入损耗，在设计器件时还要考虑器件的布喇格角，如图7所示。在声光互作用介质上修正布喇格角，使用时使激光垂直入射到通光面即可，这不仅使用方便，且可降低器件的腔内插入损耗。这是由于通光面上反射的激光未反射出激光腔，仍然在激光腔内振荡。本器件中心频率为120 MHz，修到喇格角22.96′。

2.3 分离角

声光调Q开关分离角[6]是指器件工作时，0级光与衍射光之间在器件外的最小偏转角度。器件分离角过小会造成衍射光无法偏离激光谐振腔，在腔内继续振荡消耗反转粒子数。声光调Q开关的分离角取决于器件外的衍射光偏转角。本项目微型声光调Q开关在设计时将一级衍射光偏转角作为器件分离角。声光调Q开关一级光偏转角为

α=λf/v

(3)

式中：f为器件工作中心频率；v为声光互作用介质声速。微型声光调Q开关工作光波长为1 064 nm，中心频率为120 MHz，采用的TeO2晶体声速为4 200 m/s，代入式(3)可得器件的一级光偏转角为1.74°。

2.4 调制频率、中心频率

从器件部分分析，选择的声光互作用介质是FeO2晶体，其超声波速度v0为4 200 m/s，在光束直径D为∅1 mm时的渡越时间为

τ=D/v0=0.24(μs)

(4)

为了保证有良好的调Q效果，就必须有高的消光比，这时脉冲的最小周期T为

T≈ 3τ≈0.72(μs)

(5)

脉冲调制的最高频率f0为

f0=1/ T≈1 388(kHz)

(6)

这时需要的中心频率f为

f≥2.55/τ≈10.63(MHz)

(7)

当器件的f>10.63 MHz时，脉冲调制的最高频率能达到1 388 kHz。我们实际设定f=120 MHz，足以保证器件在D=1 mm时，脉冲调制频率范围为0～1 388 kHz。

从驱动电源角度分析，微型声光调Q开关驱动电源采用外调制触发方式获得≤1 kHz的脉冲调制频率。驱动电源的设计方案中加入了外部调制模块以方便使用外部信号源对驱动电源输入调制信号，外部调制信号经过两次与非门之后输入图中DDS的OSK端口，如图8所示。 采用此驱动电源方案的可输入调制信号频率范围为0～100 kHz，满足≤1 kHz的调制频率需求。

图8 驱动电源电路

2.5 驱动功率

微型声光调Q开关驱动电源采用2级放大电路为器件提供P≥1 W的驱动功率，功放电路主要由放大管、匹配网络、滤波元件等组成，如图9所示。

图9 驱动电源功放模块

第一级放大使用RF5089。RF5089是通用高线性度的射频IC放大芯片，增益19 dB。

第二级放大使用MRF160，增益16 dB。将第二级放大结果作为驱动电源的驱动功率输出，同时第二级放大方式选择丙类放大模式，能够提高驱动电源的开关比。

当DDS芯片输出信号为0，经过RF5089和MRF160两级放大后最高能达35 dBm，即此驱动方案最大可为器件提供3.2 W的驱动功率。

3 研制结果

基于以上的设计，我们研制出了微型声光调Q开关[7]样品，如图10所示。

图10 微型声光调Q开关器件图

微型声光调Q开关工作波长为1 064 nm，工作频率为120 MHz。器件测试仪器包括1 064 nm激光器、脉冲信号源、驱动电源、光电探测器、光功率计和示波器。最后测试该器件光脉冲上升时间28.99 ns，衍射效率35%。其光脉冲上升时间如图11所示。

图11 示波器上测试的光脉冲上升时间图

4 结束语

本文理论分析了影响Q开关衍射效率[7-8]、透过率、调制频率等因素。设计了工作频率120 MHz，光脉冲上升时间28.99 ns，衍射损耗保持在35%，光孔径∅0.8 mm的微型声光调Q开关。在光纤激光器、激光测距、激光成像等方面具有重要应用。