铌酸锂电光调Q晶体漏光现象的研究

商继芳，杨金凤，郝好山，李清连，张 玲，孙 军

(1.河南工程学院,河南省电子陶瓷材料与应用重点实验室,郑州 451191; 2.河南工程学院理学院,郑州 451191;3.南开大学泰达应用物理研究院，天津 300457；4.南开大学物理科学学院,天津 300071)

0 引 言

电光调Q技术是目前获得高峰值功率、窄脉冲宽度激光最主要的方式之一，其具有开关速率高、关断能力强、主动可控等优势[1]，输出激光的时间可以精确控制，因此激光器和其他联动仪器之间可以做到高精度同步[2]，更加有利于应用。作为电光调Q开关的核心部件，电光晶体的性能对调Q性能有着至关重要的影响。一般而言，实用化的调Q开关要求电光晶体具有光学均匀性好、电光系数大、抗激光损伤阈值高、透过范围宽、物化性能稳定、易于加工等特点[3-4]，但能够完全满足以上要求的晶体较少。

目前，能够实用化的电光晶体主要有磷酸二氘钾(DKDP)、铌酸锂(LN)、磷酸钛氧铷(RTP)晶体[5-6]。DKDP晶体抗激光损伤阈值较高、电光系数较大、容易生长成大尺寸晶体，在民用领域获得了广泛应用，但其易潮解，特殊的封装方式导致温度稳定性较差[7]，低温下无法工作，不能满足军用需求。此外，DKDP电光调Q采用的是纵向调制方式，调Q高压无法降低，且电场不易均匀，影响激光系统的动静比[8]。RTP晶体是近年来新投入使用的一种电光晶体，具有电光系数大、损伤阈值高、无压电振铃效应等优点，是高重复频率电光调Q开关的首选晶体[9]，但它作为双轴晶体，应用时需配对使用以补偿自然双折射[10]，因此对晶体的光学质量、加工质量等要求较高，由于自然双折射受温度影响较大，其调Q性能对两晶体的温差特别敏感，另外RTP晶体价格过于昂贵，限制了其应用范围。LN晶体生长技术较为成熟，容易生长成大尺寸晶体，而且不易潮解，温度稳定性高，应用时无需配对，成本较低，装调方便，因此在诸多领域特别在对温度稳定性要求较高的军工领域得到了广泛应用[11-12]。

然而，在实际工程应用中发现，LN电光调Q开关整体表现出性能一致性差的问题，退压式调Q时差异更加明显。在LN电光调Q开关上施加电场后，经常出现光路无法关断的现象，漏光量甚至可以达到静态输出能量的20%以上。不同调Q开关漏光量不同，且漏光量还会随时间发生变化，部分调Q开关初始不漏光，但在使用一段时间后，就可能出现漏光，并且没有规律性。更换电极方向后，对漏光量也有影响。

针对上述问题，本论文工作从实验出发，首先对多块LN晶体的退压式电光调Q性能进行了测试，筛选出性能差异较大的若干晶体；然后结合电光调Q理论，分析了光路无法关断的可能原因；在此基础上，利用X射线定向仪、锥光干涉法等手段对各个可能的影响因素进行了表征，首次发现了LN晶体的电光不均匀性，证实了其是造成光路无法关断、不同开关性能差异较大的主要原因。

1 实 验

1.1 退压式电光调Q测试

在Nd∶YAG激光器中测试了多块LN晶体的退压式电光调Q性能，实验装置如图1所示。谐振腔采用平平腔，腔长约为430 mm，输出镜透过率为10%。激光增益介质为Nd∶YAG激光棒，尺寸为φ5 mm×80 mm，掺杂浓度为1.1at%。泵浦源为脉冲氙灯，采用侧面泵浦的方式，其注入能量约为10 J。氙灯和Nd∶YAG激光棒分别置于一个椭圆形聚光腔的两个焦点上，聚光腔内表面镀有高反金属膜，金属膜外层镀有过滤紫外光谱的介质膜，从而充分减小了热效应。泵浦能量通过聚光腔汇聚到Nd∶YAG晶体上。采用水冷的方式对氙灯和Nd∶YAG激光棒进行冷却。偏振镜为沿布儒斯特角放置的石英片。实验所用的电光调Q开关是采用掺镁LN晶体制备的，晶体锂含量为48.6mol%，掺镁量为5mol%，尺寸均为9 mm×9 mm×18.8 mm (x×y×z)，晶体x面镀有Ti/Au电极，z面镀有1 064 nm的增透膜。开关装配结构和文献[13]中相同，采用的是弹性装配技术，降低了晶体内部所受应力，且使应力分布更加均匀，利用金属电极片引出电极以施加调Q高压。激光输出能量采用型号为NIM-E1000的激光能量计测量。

腔内仅含偏振镜时的静态输出能量约为200 mJ左右，插入各晶体后输出能量下降很小，均约在190 mJ以上。为了考察各调Q开关的关断效果，在晶体上施加可调的直流高压，通过改变电压大小，使激光输出能量达到最小，记录最小漏光量和相应的电压值。改变电压极性，观察漏光量的变化情况。

1.2 漏光原因分析

根据电光调Q的原理，1/4波电压退压式电光调Q配置相当于一个电光调制器，两个电光晶体置于两个平行的偏振镜之间，调制器的透过率T可表达为[14]：

(1)

其中，α为偏振镜的透振方向和晶体中本征偏振方向的夹角，δ为激光往返两次通过电光晶体时产生的总相位差。

要实现关断状态，透过率T应为0，从式(1)中可得出sin2(2α)和sin2(δ/2)项应同时为1，即应有α=±45°，±135°和δ=π+2kπ(k=0,±1,±2…)。光路无法关断表明，施加电场后α或者δ不满足上述条件。

通过分析认为，影响α角的因素主要有以下三种：

(1)受加工和调试精度影响，晶体的x轴(或y轴)和偏振镜的透振方向不平行，成一定的夹角θ。LN电光调Q开关采用的是沿z轴通光、沿x轴加电场的调制方式。由电光效应理论，在x轴方向施加电场后，电感应主轴x′、y′相对原轴x、y旋转45°，z′轴和z轴相同[15]。沿z轴通光，晶体中的本征偏振方向将沿着x′和y′轴，因此偏振镜的透振方向和本征偏振方向的夹角α将是45°+θ。

(2)晶体光轴和端面法线之间存在偏离，激光垂直于端面入射时，传播方向不是沿着z轴，而是和晶体各轴成一定的角度，设为(θ,φ)(θ为激光传播方向与光轴的夹角，φ为激光传播方向在xoy面的投影与电感应主轴x′的夹角)。由折射率椭球理论可以求出，本征偏振方向不再沿着x′和y′轴，而是相对于主平面发生偏转，偏转角β为[16]：

(2)

当偏振镜的透振方向和x轴平行时，可得出α角为45°+φ+β。可见，光轴的偏离角度(θ,β)对α均有影响。当θ比较小时，式(2)中含sin2θ的项可以忽略，β约等于-φ，因此α仍约为45°。而当θ比较大时，除φ等于0或者π/2，即沿着电感应主轴传播外，α角将偏离45°，从而影响关断状态。

(3)在前两点的分析中，都是基于电场施加在x轴方向上、感应主轴相对于原轴旋转45°进行分析的，而LN晶体缺陷结构复杂，晶体内部可能存在内电场，其热释电效应也比较严重，双折射易受应力等因素的影响[17-18]，因此在晶体上施加电场后，可能并不只是电场在起作用，而是多种效应的综合作用，从而使感应主轴和原轴的夹角并不是45°，即α不是45°，从而影响关断效果。

如果漏光是相位延迟量δ不满足条件造成的，则主要应该考虑相位延迟量在整个通光截面内分布不均匀，否则通过调节电压大小可使相位延迟量满足条件。分析认为，相位延迟量分布不均匀一方面和晶体的静态光学均匀性有关，另一方面可能也受到上述多种效应的综合作用，且各个效应在通光截面内分布不均匀。

1.3 影响因素表征

在上述分析的基础上，首先采用X射线定向仪测量了每块晶体的各轴向偏差，定向仪的定向精度为1′。然后利用锥光干涉法对各晶体的静态光学均匀性进行了表征。对于晶体施加电场后，是否受到多种效应的综合作用、感应主轴是否偏离45°、各种效应在通光截面内分布是否均匀等问题的探究，主要采用加电锥光干涉法进行了定性分析。根据锥光干涉原理[19]，干涉图样上条纹的亮暗反映了沿不同方向入射激光的双折射情况，干涉环代表等相位线，因此干涉图样能够反映晶体折射率椭球的对称性，干涉图样的对称轴对应折射率椭球的主轴，若干涉环发生畸变，说明存在光学不均匀性。锥光干涉装置示意图如图2所示。

激光光源是波长为632.8 nm的氦氖激光器。起偏镜和检偏镜的偏振方向正交，为了便于观察，通常使其偏振方向分别沿着水平和竖直方向。通过毛玻璃的散射作用，将激光束散射成锥形激光。待测的铌酸锂晶体置于毛玻璃和检偏镜之间，调节使晶体的x轴和y轴分别沿着水平和竖直方向。通过调节毛玻璃与晶体之间的距离、上下平移晶体位置，可以改变晶体内形成锥光的区域，由此来观察晶体内不同区域的光学均匀性。在晶体上施加直流高压，可以对加电后的锥光干涉图样进行观测。

2 结果与讨论

为了对比，实验筛选出四块性能差异较大的LN晶体，其漏光量及相应的外加电压如表1所示。从表中可以看出，不同调Q开关的漏光量差异较大，且外加电压的方向对漏光量也有影响。另外需要指出的是，#2晶体的漏光量还会随外加电压时长发生变化。电源接通瞬间，漏光量很小，然后在短时间内快速增加，最后在某个值附近波动，没有规律性，因此表中所列数据是漏光量基本趋于稳定后得到的。实验中发现，外加电压在一定范围内变化时，漏光量基本不发生变化，因此上述表格中，虽然不同LN电光调Q开关的1/4波电压有所差异，但在误差范围内基本可以认为是相同的。

表1 不同LN电光调Q开关的漏光量及相应的1/4波电压Table 1 Light leakage and quarter-wave voltage for different LN EO Q-switches

利用X射线定向仪测得各晶体的z轴沿x轴和y轴方向偏转的角度均不超过3′。这个角度很小，由式(2)可以估算出β约等于-φ，因此α仍约为45°，由此排除了光轴轴向偏离的影响。

实验测得各晶体的x轴或y轴与晶体表面法线间的夹角最大不超过10′，并且在装配调试时，晶体和偏振镜装配支架的加工精度能够保证偏振镜的透振方向和晶体的y表面平行。假设激光偏振方向和x轴间的夹角最大为15′，则由透过率公式(1)(设δ满足条件)，可求得透过率T为7.6×10-5，基本趋于零，不会影响关断效果，因此也可以排除x轴轴向偏离的影响。

利用锥光干涉法测得各晶体不加电压时的静态光学均匀性均较好，如图3为漏光量最大的#2晶体不加电压时的锥光干涉图样，干涉环清晰完整，且无任何畸变，十字叉清晰且完全正交，说明调Q开关漏光并不是静态光学均匀性差导致的。

当在晶体上施加电场后，发现不同晶体的锥光干涉图样差异较大，如图4为各晶体在不同极性电压下，激光沿端面中心入射时的锥光干涉图样。而由电光效应和锥光干涉理论可以得出，在LN晶体x轴方向施加电场时，锥光干涉图样应如图5所示，干涉环由一系列椭圆构成，椭圆的长轴和短轴分别沿着电感应主轴x′和y′方向，与x轴、y轴成45°角，消光线为双曲线，消光区域的对称轴也沿着感应主轴方向。当电压极性相反时，干涉图样将旋转90°。

通过比较各图可以看出，只有#4晶体加电场后的锥光干涉图样和理论分析比较吻合，干涉环呈椭圆状，条纹清晰，形状规则对称，无任何畸变，图样对称轴分别沿感应主轴。而其他晶体的加电锥光干涉图样，或多或少都和理论分析存在偏差。对于#2晶体，虽然椭圆干涉环仍比较规则，但其对称轴相对于45°方向发生了偏离，粗略估计偏离角度已达到10°左右，并且加电方向不同，偏转的方向也不同。此外还发现，在此晶体上施加电场后，锥光干涉图样还随加电时长变化，感应主轴偏转，干涉环的椭圆率也发生改变，在刚开始的20 s内变化较明显，然后变化缓慢，这和漏光量随加电时长不断变化这一点是比较吻合的。对于#1晶体，沿+x方向加电时，椭圆对称轴相对于45°方向也发生了偏离，只是偏离的角度较小，此外，椭圆干涉环不完全规则、对称，椭圆一端存在畸变，而且干涉条纹也不清晰。对于#3晶体，当沿+x方向加电时，椭圆干涉环形状不规则，左上部分对称轴沿着45°方向，而右下部分对称轴偏离了45°。沿-x方向加电时，虽然椭圆干涉环对称轴基本仍沿着45°方向，但椭圆一端存在畸变。

另外，实验中还发现，对于锥光干涉环扭曲比较严重的晶体，在整个通光口径内，各处的干涉图样差异也较大，如图6为#2晶体通光口径内差异较大的两处锥光干涉图样，虽然干涉环都是比较规则的椭圆，但椭圆对称轴相对45°方向偏离的程度明显不同。而对于漏光量很小、干涉图样和理论比较吻合的晶体而言，通光口径内各处的干涉图样基本一致。为讨论方便，将上述现象称为电光不均匀性。对于不同的调Q开关，装配及施加电场的方式是相同的，而且采用镀制Ti/Au膜并用金属片引出电极的方式，能够保证晶体内部有效通光区域内施加的电场是均匀的，由此可见，电光不均匀性并不是外加电场不均匀造成的，而和晶体自身有关，引起电光不均匀性的因素尚需进一步探究。

通过比较各晶体的漏光量和加电锥光干涉图样可以看出，漏光量的大小和电光不均匀性程度具有很好的一致性。因此，综合以上分析可以得出，加电场后，感应主轴偏离45°、通光截面内各处感应双折射不一致是造成漏光的主要原因。对于不同的晶体，电光不均匀性程度不同，因此开关性能也不一致。

3 结 论

通过实验筛选出了退压式电光调Q性能差异较大的LN晶体，在理论分析的基础上，利用X射线定向仪、锥光干涉法等手段对各个可能的影响因素进行了标定，首次发现了LN晶体的电光不均匀性，即外加电场后，电感应主轴偏离理论方向，截面各处的感应双折射不一致。通过对比分析各晶体的轴向偏差、静态光学均匀性和电光不均匀性，并与漏光情况作对比，证实了电光不均匀性是造成退压式调Q时漏光、各开关性能不一致的主要原因。