用于電光Q開關(guān)的RTP晶體

RbTiOPO4(RTP)晶體是一種具有優(yōu)良綜合性能的非線性光學(xué)晶體材料。RTP是目前最常用的具有高頻率重復(fù)，高功率和窄脈沖寬度激光器Q開關(guān)的實(shí)用電光晶體。生長溫度范圍為950°C至800°C，生長期通常為45至60天，由于RTP的透明范圍為0.4至3.5μm，因此可用于多種類型的激光器，例如Er:YAG激光器2.94μm，效率相當(dāng)高。使用光熱公共路徑干涉儀，在1.064μm處的體積吸收測量范圍為50至150ppm。RTP電光器件具有出色的綜合性能，不僅用于激光微加工和激光測距，而且還用于重大的科學(xué)勘探項(xiàng)目。

近年來，高質(zhì)量電光材料的出現(xiàn)引發(fā)了基于電光效應(yīng)在固態(tài)激光器中產(chǎn)生高峰值功率脈沖的Q開關(guān)的廣泛使用。最初，磷酸二氫鉀(KDP)的水溶性晶體及其同晶型被廣泛用于縱向模式，即電場沿光束方向施加時(shí)。它們具有吸濕性，需要帶保護(hù)窗的密封外殼，但光學(xué)均勻度高，適用于大孔徑應(yīng)用。鈮酸鋰(LN.LiNbO3)在橫向電極方向工作時(shí)，光線沿光軸傳播，在千瓦范圍內(nèi)的平均功率下可實(shí)現(xiàn)更高的透射率或更低的插入損耗和更高的對比度。然而，LN也有一些局限性：損傷閾值低(~10MW/cm2)、壓電效應(yīng)和熱電效應(yīng)去極化。鉭酸鋰(LT，LiTaO3)與鑭系元素同構(gòu)，沒有壓電效應(yīng)，但其兩倍大的損傷閾值仍不足以用于高峰值功率、高重復(fù)率二極管泵浦固態(tài)激光器(DPSSL)。因此，盡管高損傷閾值BBO(BaB2O4)晶體的電光系數(shù)低、長度短(半波電壓高，Vπ)、成本高，但最近仍被用于小孔徑DPSSL。KTP(KTiOPO4)晶體具有很好的Q開關(guān)特性。晶體具有非常好的Q開關(guān)特性。當(dāng)以熱補(bǔ)償模式工作時(shí)，KTP器件在高平均功率密度下顯示出出色的抗熱去極化能力。

我們首次研究了KTP同晶型(即RTP晶體)的Q開關(guān)特性。與KTP相比，RTP的電阻率要高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此沒有電致變色的跡象。我們設(shè)計(jì)并測試了一種用于高重復(fù)率DPSSL操作的熱補(bǔ)償（雙晶）RTP Q開關(guān)。并與普通BBO Q開關(guān)進(jìn)行了性能比較。。

大的65x65x65mm³ RTP晶體通過頂種溶液生長(TSSG)方法生長，其中在X取向種子上拉動(dòng)。類似于KTP。該方法在大的平坦X面上產(chǎn)生了單扇區(qū)生長，并在YZ平面中形成了極為均勻的折射率分布，這對于改善在X方向上切割的Q開關(guān)元件的對比度和消光比是必不可少的。如圖1所示，在高溫下進(jìn)行電極化(單原子化)后，將一對Z軸方向相互垂直的晶體制成熱補(bǔ)償設(shè)計(jì)的Q開關(guān)。在633nm處對每個(gè)晶體的正面和背面進(jìn)行光學(xué)拋光，使其平坦度達(dá)到λ/10，平行度小于5弧秒。在ZX面上沉積Cr/Au電極。在1064nm波長下對 RTP晶體進(jìn)行了抗反射涂層處理，殘余反射率小于0.1%。結(jié)果，單向插入損耗小于0.8%。

圖 1. 雙晶體 RTP Q開關(guān)的熱補(bǔ)償設(shè)計(jì)。

為了測試晶體作為高重復(fù)率激光器中的Q開關(guān)的性能，對RTP和商用BBO Q開關(guān)進(jìn)行了比較。它們被放置在工作在kHz區(qū)域的二極管側(cè)泵浦Nd:YAG  Z字形板激光器中。眾所周知，Z字形幾何結(jié)構(gòu)能將熱透鏡和雙折射最小化到一階。Nd:YAG Brewster切割的Z字形板坯(2.5x2.5x47mm³)從相同的面進(jìn)行泵浦和冷卻。激光頭包含兩個(gè)相對側(cè)的準(zhǔn)直QCW激光二極管，輸出峰值功率為200W，占空比為20%。 二極管光在進(jìn)入板坯之前穿過冷卻水。未被吸收的泵浦光從反射鏡被引導(dǎo)回來，用于額外穿過板。40cm平凹激光腔由一個(gè)曲率半徑為500cm的背鏡和一個(gè)平面輸出耦合器組成。偏振器和背鏡之間安裝了一個(gè)基于BBO或RTP晶體的電光Q開關(guān)。我們還研究了RTP和BBO晶體的壓電效應(yīng)。一束來自連續(xù)Nd:YAG激光器的光束穿過兩個(gè)交叉偏振鏡之間的普克爾盒。在RTP上施加1.75kV電壓，在BBO上施加4.5kV電壓，電脈沖的上升時(shí)間為10nsec，從而將普克爾盒切換到波長為1064nm的四分之一波長。

根據(jù)上述設(shè)置，即光沿X傳播，電場沿Z施加，Vπ=(λ/rc²n_z³)(d/l)，其中 rc² 是每個(gè)晶體的適當(dāng)電光系數(shù)，d- 高度，/- 每塊晶體的長度。我們通過實(shí)驗(yàn)確定了RTP的電光系數(shù)和半波電壓（分別對應(yīng)于X和Y方向上的光傳播的Vπ(X)和Vπ(Y)），結(jié)果如表1所示。

盡管Vπ(Y)>Vπ(X)，但考慮到晶體在YZ平面中更好的光學(xué)均勻性，我們使用了圖1的設(shè)置。然而，對于在Y方向上的光傳播，可以制造在XZ平面中具有合理均勻性的小孔徑器件。

圖 1：在 λ= 633nm波長下，d=l時(shí)RTP的電光共振和半波電壓。

通過將補(bǔ)償RTPQ開關(guān)(具有兩個(gè)11mm長的晶體)放置在交叉偏振器(與Z軸成45°)之間的熱調(diào)節(jié)支架中，評估其傳輸對平均溫度變化的不敏感性。通過系統(tǒng)傳輸?shù)男盘?hào)被測量為支架溫度的函數(shù)。在25-125℃的溫度范圍內(nèi)沒有觀察到透射變化。為了進(jìn)行比較，如圖2所示，等效長度(22mm)的RTP單晶顯示出明確的周期性網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，周期約為2.5℃。

圖2.RTP普克爾盒(實(shí)線)和22mm長RTP晶體(虛線)的發(fā)射率隨溫度變化的曲線。

補(bǔ)償Q開關(guān)的半波電壓在該溫度區(qū)間內(nèi)也沒有變化。Q開關(guān)的角度對準(zhǔn)靈敏度約為12弧分。測量條件是消光比不低于100:1。

在高壓脈沖作用下，壓電效應(yīng)會(huì)在非線性晶體中產(chǎn)生聲波，從而在高壓脈沖作用后很長時(shí)間內(nèi)通過彈性光學(xué)效應(yīng)繼續(xù)調(diào)節(jié)晶體的雙折射，從而損害其作為普克爾盒的性能。在高重復(fù)頻率下激光器的有效Q開關(guān)意味著晶體相對不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。當(dāng)激光束被鎖定時(shí)，這種噪聲仍然存在。任何可能產(chǎn)生的壓電效應(yīng)都小于3%(噪聲水平)。相比之下，激光束被鎖定為30KHz時(shí)運(yùn)行的商用BBO Q開關(guān)顯示的壓電效應(yīng)約為10%。在30kHz下的比較結(jié)果如圖3所示。

圖3. 壓電振鈴效應(yīng)比較。

我們用40%反射率的輸出鏡測量了RTP和BBO器件的平均Q開關(guān)輸出功率和脈沖持續(xù)時(shí)間，兩種普克爾盒都具有相似的性能，晶體的平均功率密度為2.3KW/cm2，峰值功率為150MW/cm2。不過，RTP晶體作為普克爾盒的優(yōu)勢在于，與BBO晶體的4kV電壓相比，RTP晶體只需施加不到1kV的電壓即可實(shí)現(xiàn)延遲。此外，由于兩者的電光特性不同，RTP的孔徑為6x6mm2 ，而BBO的孔徑僅為2.5mm。

iRTP普克爾盒

RTP屬于KTP晶體家族。RTP具有出色的電光特性和高損傷閾值，是高端激光應(yīng)用的完美解決方案。它非常適合需要高級(jí)特性的應(yīng)用，非潮解性、高熱穩(wěn)定性和高重復(fù)率。

我們的新型iRTP普克爾盒(PC)是第一款將RTP的優(yōu)勢帶入電光器件大眾市場的產(chǎn)品。iRTP(PC)是RTP的改良版，專為工業(yè)激光應(yīng)用而設(shè)計(jì)。我們的iRTP(PC)是一種標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)成解決方案，以標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)PC的價(jià)格提供高性能的電光普克爾盒。

iRTPPC的特點(diǎn)

• >1GW/cm2,更高的損傷閾值

• <1ns快速上升下降沿，窄脈寬度

• 非潮解材料

• 吸收損耗低

• 無振鈴效應(yīng)(至少到350kHz)

• 10-50℃ 寬穩(wěn)定使用溫度范圍熱穩(wěn)定性好

IRTP主要指標(biāo)

更多RTP晶體資料，請查閱：http://m.haoyi1688.cn/optic/pockels-cells.html