2.7 μm声光调Q器件

张泽红，陈 国，何晓亮，王晓新

(1. 中国电子科技集团公司 第二十六研究所，重庆 400060;2. 中国电子科技集团公司 第十一研究所, 北京 100015)

0 引言

2.7 μm激光在激光医疗、红外抽运、激光光谱学及红外对抗等领域有潜在的应用前景。目前2.7 μm激光器中常用的声光Q开关用氧化碲晶体材料制作[1]。氧化碲晶体的声光优值较高，光吸收很小，但抗激光损伤能力较差，易被高功率脉冲激光打坏[2]。

本文介绍了一种基于铌酸锂(LiNbO3，LN)晶体材料制作的2.7 μm声光Q开关。与氧化碲晶体相比，LiNbO3晶体的声光优值较低，需要使用更高的驱动电功率，但LiNbO3晶体的抗激光损伤能力较高[3]，能较好地解决高功率2.7 μm激光器的调Q问题。

1 声光材料特性

2.7 μm声光Q开关是用于激光腔内的光学元件，若要长期在高功率的激光下稳定工作，必须选用声光性能稳定、纯度高、吸收小及损伤阈值高的声光介质。

常用的近红外声光材料有红外熔石英、石英晶体、氧化碲晶体和LiNbO3晶体。红外熔石英和石英晶体在2.7 μm波长存在较大的光吸收，如图1、2 所示，不适合制作2.7 μm声光Q开关。

图1 红外熔石英(35 mm长)透过率曲线

图2 石英晶体(35 mm长)透过率曲线

氧化碲晶体属于422点群四方晶系,密度为5 990 kg/m3，透光区为0.35～5 μm，在波长2.7 μm处无吸收(见图3)，且声光优值较高(35×10-15s3/kg)，可用于制作2.7 μm声光Q开关。美国Brimrose公司、英国Gooch & Housego公司及中国电子科技集团公司第二十六研究所都使用氧化碲晶体开发了2.7 μm波段的声光Q开关。此2.7 μm声光Q开关适合小功率激光器，但在大功率激光器内调Q时易出现激光打坏通光面的现象，无法满足整机单位的高功率激光调Q要求。

图3 氧化碲晶体(35 mm长)透过率曲线

LN晶体具有良好的热稳定性和化学稳定性,是常用的电光晶体材料，与氧化碲晶体相比，其声光优值较低(7×10-15s3/kg)，需要使用更高的驱动电功率。在1.064 μm波段，LiNbO3晶体的损伤阈值约为200 MW/cm2,氧化碲晶体的损伤阈值约为50 MW/cm2,显然LN晶体的损伤阈值更高。LN晶体透过率曲线如图4所示。由图可见，LN晶体材料在2.7 μm没有吸收，可用于制作2.7 μm声光Q开关。

图4 LN晶体(35mm长)透过率曲线

LN晶体是一种很特别的晶体材料，内部存在锂空位和反位铌两种本征缺陷，能容纳大量外来杂质(如镁、铪、锆、铁、铜、锰、铈、锌、铟、钪等)。文献[4-5]报道，掺杂能提高材料的抗激光损伤能力。3次掺杂3%～5% MgO(摩尔质量)的LN晶体发现，掺镁LN晶体内部存在大量的生长条纹,严重影响了晶体的光学均匀性，即使优选出没有明显条纹的晶体也存在恶化激光模式，发生光斑畸变的问题，如图5所示。测试输入光波长为633 nm时，光束质量因子M2的x、y分量值分别为1.001、1.012。经过掺镁LN晶体后，M2的x、y分量值分别为1.188、1.244。产生此现象的原因是镁在LN晶体中的分凝系数大于1,导致掺镁LN晶体在生长过程中的分凝现象严重。

图5 激光穿过掺镁LN晶体后的模式

无掺杂的高纯LN晶体不会发生恶化激光模式的现象，激光穿过高纯LN晶体后的光斑如图6所示。由图可知，M2的x、y分量值未发生明显变化，因此，2.7 μm声光调Q器件选用高纯LN晶体作为声光介质材料。

图6 激光穿过高纯LN晶体后的模式

2 衍射效率

衍射效率是表征声光Q开关的关键技术指标，对激光器的调Q性能具有决定性的作用。根据声光互作用理论，通常驱动功率越高，声光Q开关的衍射效率越高，但应用中功耗越低越好，因此需根据激光器的特性合理设计声光Q开关的超声波声场分布，充分利用超声能量，以小驱动电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设计(见图7)。由图可知，光束中心部位能量高，两边能量低。根据激光器的调Q理论，关断激光的衍射效率也是中心部位高，两边低。因此，需把声光Q开关的表电极按菱形设计。如图8所示，表电极中心部位对应通光孔径D1=3 mm，表电极两端的尺寸D2=1.3 mm，表电极长度(声光互作用长度)L=28 mm。根据声光互作用理论[6]，衍射效率与L成正比。因此，通光孔中心部位L较长，衍射效率较高；通光孔两边L较短，衍射效率较低，能较好地符合高斯分布的激光特性，达到既能将激光关断，又能降低驱动电功率的目的。

图7 高斯分布的激光

图8 表电极与衍射效率

2.7 μm声光调Q器件的工作频率f=40.68 MHz，L=28 mm，D1=3 mm，在电功率为40 W时，通光孔中心部位的衍射效率可达75%，测试光的偏振态为竖直偏振光。如果D1范围都要求达到中心部位的衍射效率，驱动功率还需提高40%，而通光孔两边的激光功率较弱，较高的衍射效率不能完全发挥作用，浪费了驱动功率。因此，采用高斯型分布衍射效率，能达到降低驱动功率、提高关断激光能力的目的。

3 调Q实验

2.7 μm声光调Q器件通光面镀的是窄带增透膜，在波长2.7～2.8 μm内器件的透过率均大于98.3%，可用于2.7μm激光器，也可用于2.79 μm激光器。使用时，2.7 μm声光调Q器件安装在激光腔内，根据驱动器信号控制激光腔Q值，产生脉冲激光，如图9所示。激光腔内Q值与衍射效率的关系为

图9 声光Q开关应用示意图

(1)

从式(1)可见，衍射效率与激光腔内Q值成反比，衍射效率越高，改变激光腔Q值的能力越强，要关断高功率的激光须有高的衍射效率。

在泵浦功率为 400 W 时，激光器输出2.79 μm连续激光23.9 W。声光Q开关处于关断状态时剩余激光功率小于1 W，达到了关断激光的目的。调Q激光脉冲的半峰全宽(FWHM)为 59.9 ns(见图10)，器件能长时间稳定工作，未出现激光损坏的情况。而氧化碲制作的声光Q开关只能承受小于10 W的激光，激光功率再增加，氧化碲通光面易被激光损坏，因此，LN晶体制作的声光Q开关的抗损伤阈值更高，能满足更高功率激光器的调Q问题。

图10 激光调Q脉冲

4 结束语

铌酸锂晶体光学性能较好，与氧化碲相比，抗激光损伤能力提高，但其声光优值较低。为了弥补声光优值较低的缺陷，充分利用驱动电信号的能量，采用菱形表电极设计，使通光孔中心部位互作用长度较长，衍射效率较高；通光孔两边互作用长度较短，衍射效率较低，较好地满足了高斯型能量分布激光器的调Q要求。但这种声光调Q器件的透过率不高，可能是铌酸锂晶体及镀膜材料中羟基(OH-)未完全去除，羟基(OH-)吸收了激光。