钽酸锂电光调Q晶体开关的制备研究

李清连，商继芳，吴 婧，张 玲，孙 军

(1.南开大学物理科学学院，天津 300071；2.南开大学教育部弱光非线性光子学重点实验室，天津 300457；3.山西大学极端光学协同创新中心，太原 030006；4.河南工程学院理学院，郑州 451191)

1 引 言

纳秒激光器具有峰值功率高的优点，被广泛应用于激光测距、红外对抗、目标指示等军工领域以及激光雕刻、激光加工、激光医疗等民用领域[1-4]。绝大多数纳秒脉冲激光都是利用电光调Q的技术获得的，而其核心材料是电光调Q晶体。在国防和民用领域得到实用化的电光调Q晶体有磷酸二氘钾(KD*P，KD2PO4)晶体、铌酸锂(LN，LiNbO3)晶体、磷酸氧钛铷(RTP，RbTiOPO4)晶体。

KD*P晶体的光损伤阈值较高，晶体成本较低，是实用化的电光调Q晶体之一。但该晶体易潮解，须配有特殊的防潮密封装置，这就会导致器件的插入损耗增加。同时KD*P电光调Q为纵向调制，电场方向与通光方向一致，电场不易均匀，影响激光系统的动静比。此外，KD*P晶体低温下无法使用，必须配备加热系统[5-8]。LN晶体性能稳定且不潮解，电光系数高，晶体容易制备，但其损伤阈值较低，难以满足高功率激光输出的需求[9-12]。RTP晶体在电光调Q方面也得到了一定的应用，晶体性能稳定、损伤阈值高，是目前高重频电光调Q开关优选材料之一。但RTP晶体生长困难，晶体价格过于昂贵，使其在民用领域广泛应用受到很大的阻碍[13-14]。

钽酸锂(LT，LiTaO3)晶体与LN晶体结构类似、性能类似、制备技术类似，晶体性能稳定不潮解，易获得大尺寸晶体，更重要的是其损伤阈值比LN晶体高[15-18]，是一种具有应用前景的电光调Q晶体。但是LT晶体在沿C轴通光时对应的电光系数γ22很小，仅为0.1 pm/V，因此不能像LN晶体一样采用沿X方向加电、Z轴方向通光的配置方式。当沿X或Y方向通光时，对应的有效电光系数较大，但同时也会引入由自然双折射导致的相位延迟，而且受温度影响较大，严重影响调Q开关的性能。为了实现LT-Q开关的电光调制，需要采用双晶体匹配的方法补偿自然双折射引入的相位延迟，这也就对两块匹配晶体自身的质量及加工质量也提出了较高的要求。目前尚没有关于LT电光调Q开关研制和应用的报道。

本文工作中，从LT双晶匹配实现电光调Q的原理出发，首先分析了晶体通光方向晶向角、尺寸偏差等对补偿自然双折射引起相位延迟的影响，然后以调Q开关达到100∶1的消光比为目标，估算了晶体通光方向晶向角精度及尺寸偏差的加工要求。通过改变晶体粘接方法、采用同盘抛光制备了LT电光调Q晶体。采用锥光干涉的方法表征了LT调Q开关匹配后的光学质量，并通过上机测试，表征了其调Q性能。

2 理论分析

2.1 钽酸锂电光调Q开关的工作原理

首先对LT电光调Q开关的工作原理进行说明，LT晶体的电光系数矩阵为[18]：

当沿晶体Z方向施加电场E时，晶体折射率椭球方程在电场的影响下为：

(1)

其中no和ne分别为晶体的寻常光折射率和异寻常光折射率。将上式数学近似后，可将LT晶体电致折射率nx和nz表述为：

(2)

(3)

双晶匹配LT电光调Q开关的工作示意图如图1所示。沿Z轴加电场、沿X轴方向通光，两块晶体的Z轴互相垂直，外加电压极性相反。激光的偏振方向和晶体Z轴成45°。由折射率椭球理论和电光效应理论，可以求出激光通过两块晶体后总的相位差δ为

(4)

式中，l1、l2分别为两块晶体通光方向的长度，即X方向或Y方向的长度，d1、d2为两块晶体施加电场方向的厚度，即晶体Z方向的长度，no1、ne1和no2、ne2分别为激光通过两块晶体时的寻常光折射率和异常光折射率，λ为入射激光的波长，γc1、γc2为二者的有效电光系数，其满足关系式

(5)

图1 LT双晶体匹配电光调Q开关示意图Fig.1 Schematic diagram of LT double-crystal matched electro-optic Q-switch

由公式(4)可以看出，只有当两块匹配晶体完全相同时，即d1=d2=d，l1=l2=l，no1=ne1=no，no2=ne2=ne，才能够完全消除自然双折射引起的相位延迟，此时，由公式(4)可以求得对应的半波电压如公式(6)所示。

(6)

2.2 晶体通光方向晶向角偏差、尺寸偏差对匹配效果的影响

在实际应用中，受加工精度的影响，两块匹配晶体通光方向的晶向角及长度一般都存一定的偏差，由公式(4)可以看出，这个偏差将导致激光通过两块晶体后由于自然双折射而引入额外的相位延迟，进而影响调Q效果。

当加压式调Q时，LT电光调Q开关和1/4波片均置于偏振镜和全反镜之间，当调Q晶体加上1/4波电压后，调Q系统的透过率T可表示为

(7)

调Q开关的消光比为最大和最小透过率的比值，如果两晶体中自然双折射引起的相位差没有完全补偿，则将影响调Q系统的透过率，进而影响消光比[19]。设晶体通光方向的长度l为10 mm，加电方向长度d为9 mm，根据式(4)和(7)，结合折射率椭球理论，将LT晶体的no、ne及γc等参数代入公式可以算出，要达到100∶1的消光比，入射光通光方向与X轴轴向偏差不能超过1.3°，两晶体之间的长度差必须控制在5.6 μm以内。要达到更高的消光比，要求更高。对于轴向角偏差1.3°而言，是指晶体晶向偏差、装配偏差等的总合，所以为了降低装配难度，必须提高晶体加工后的晶向角精度。

以上分析是以单量变化来讨论的，一般实际应用中，这些影响因素是同时存在的，因此在实际加工中为了保证匹配效果，必须使两匹配晶体的加工精度尽可能的高。

3 调Q晶体的加工

3.1 晶体选材

实验所用的LT晶体是采用提拉法从固液同成分共熔配比的熔体中直接生长、并经过单畴化处理的C轴晶体。虽然熔体为同成分配比，但实际上由于同成分点选择的不同、晶体生长过程Li挥发、组分过冷等因素，使长出来的晶体首尾组分存在偏差，进而严重影响了晶体纵向的光学均匀性。此外晶体径向组分也存在一定的偏差。

由于晶体光学均匀性对组分均匀性非常敏感，为了保证两块匹配晶体的光学均匀性一致，便于配对，晶体取样时，同一对调Q晶体选自同一晶体的同一纵向位置，而且二者的径向位置分布对称。图2为样品取样示意图，其中1和4配对，2和3配对。

图2 LT晶体取样示意图Fig.2 Sampling schematic diagram of LT crystal

综合晶体的光学质量、光斑大小及半波电压等因素，实验中定LT调Q晶体的尺寸为10 mm×9 mm×9 mm(x×y×z)，通光方向沿X轴方向。

3.2 晶体加工

由以上分析可知，为了满足配对条件，要求配对晶体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°)。

实际应用中，一般对调Q晶体要求其通光方向两端面的平行度优于10″，平面度优于λ/8@632.8 nm。当组盘后整个抛光面的直径为50 mm时，整盘晶体两光学表面间的长度差小于2 μm，当两匹配晶体相邻时偏差更小。当抛光面的平面度为λ/8@632.8 nm，考虑到正反两面的面型差，其引入两块晶体间的尺寸偏差不足0.2 μm，该值远小于理论计算值5.6 μm。因此认为将匹配晶体组盘抛光完全可以满足两块匹配晶体对尺寸偏差的要求。

组盘时，以平面平晶为靠板来保证匹配晶体通光方向晶向角的精度。假设上盘时基面与平晶平面间的平面度偏差为一个光圈(约0.3 μm)，该平面度引入晶体粘接基面晶向角的偏差约为0.1′。而准平晶面型(0.1 μm)引入的角度偏差更小，可忽略。因此认为该方法可满足双折射匹配对晶体晶向角偏差的要求。

组盘后对晶体通光面进行研磨抛光。加工完成后分别采用X射线定向仪、激光平面干涉仪、微分干涉显微镜等对加工的轴向角偏差、平面度、平行度、光洁度等指标进行检测，结果表明，晶体轴向角偏差为±2′，平面度优于λ/8@632.8 nm，平行度为8″，光洁度达到10/5。

4 结果与讨论

4.1 双晶体匹配锥光干涉图

采用锥光干涉的方法表征两晶体匹配后的效果[20]，进一步判断晶体加工指标是否满足要求。图3为不同晶体匹配后的结果。

其中左图为严格按照要求选料、加工出来的晶体的匹配图，图中十字正交，干涉环清晰且分布对称，证明二者匹配较好，能够补偿自然双折射引起的相位延迟。右图中两晶体的加工指标满足上述理论要求，但是晶体为随机选料，从图中可以看出，十字不正交，证明这两块晶体匹配较差，不能完全补偿自然双折射引起的相位延迟。分析原因，可能是匹配晶体光学均匀性较差或二者光学均匀性差别较大，进而对匹配效果产生了较大的影响，进而也说明了双晶匹配的LT调Q开光对晶体的光学质量要求较高。

图3 LT调Q双晶匹配锥光干涉图Fig.3 Conoscopic interference patterns of LT double-crystal matched Q-switched

图4 激光输出光斑Fig.4 Laser spots

4.2 激光器上机实验

在脉冲氙灯泵浦的Nd,Ce∶YAG激光系统中，对LT电光调Q开关的性能进行了研究。谐振腔为平平腔，Nd,Ce∶YAG激光棒直径为5 mm，长为80 mm，氙灯和Nd,Ce∶YAG激光棒均放置在椭圆镀银的聚光腔内。激光输出波长为1064 nm，脉宽为7 ns。双晶匹配的LT调Q开关两通光面均镀有1064 nm单点增透膜，剩余反射率小于0.5%，Z方向镀有金电极。采用加压式工作，重复频率为1 Hz。

实验中发现激光器静态输出能量约为190 mJ，当给晶体加上四分之一波电压后开关无法完全关断，匹配后锥光干涉图较好的LT调Q开关只漏2 mJ，而锥光干涉图较差的LT调Q开关漏光约10 mJ，说明LT调Q开关没有实现完全的相位匹配。图4中的左图是匹配较好的LT调Q开关工作后打出的激光光斑，光斑分布均匀对称，且形状规则。右图是匹配较差LT调Q开关工作后打出的激光光斑，光斑形状畸变严重。

上述实验初步证明匹配较好的LT调Q开关可以满足实际应用需求。

5 结 论

当沿LT晶体Z轴方向加电、沿X或Y方向通光进行电光应用时可以利用其较大的电光系数，但是自然双折射会引入额外的相位延迟，文中采用双晶匹配的方法来补偿自然双折射引起的相位差。从LT双晶匹配调Q开关工作的原理出发，以X轴为通光方向，估算当单块晶体通光方向长度为10 mm时，若要调Q开关消光比达到100∶1时，要求整个开关通光方向与X轴轴向偏差不能超过1.3°，两晶体的长度偏差必须控制在5.6 μm以内。然后通过对称取样来保证匹配晶体的光学质量差，通过以准平晶为基准面组盘、同盘抛光的方法保证晶体的加工质量，进而制备了双晶匹配LT调Q开关。最后又采用锥光干涉的方法表征了匹配后晶体的光学性能，通过上机实验，从输出激光能量及光斑质量角度分析了LT调Q开关的性能，认为匹配较好的LT调Q开关能够满足实际应用的需求。