高速低半波電壓鈮酸鋰電光削波器

  研究背景

  電光削波器是一種基于晶體材料電光效應(yīng)的調(diào)制器件，通過外加電場改變電光晶體的折射率，從而改變光通過晶體后的位相，配合正交偏振系統(tǒng)使用，可實現(xiàn)光強調(diào)制。電光削波器具有響應(yīng)速度快、控制精度高等特點，在聚變用高功率激光器、激光通信、激光精細加工等方面有著廣泛的應(yīng)用。隨著光電子科學(xué)與技術(shù)的飛速發(fā)展，電光調(diào)制器件朝著高速率、高帶寬、大消光比、大功率、寬光譜、低功耗等方向發(fā)展。

  目前，常見的電光調(diào)制器分為體式和波導(dǎo)式兩種。傳統(tǒng)體式電光調(diào)制器可應(yīng)用于大功率激光系統(tǒng)，但其半波電壓受晶體尺寸影響通常較高(在kV量級)，調(diào)制帶寬適中(通常為百MHz量級);波導(dǎo)式電光調(diào)制器件的帶寬較高(通常在GHz以上)，但干涉的基本原理限制了其在大功率和寬譜光源中的應(yīng)用。

  大功率、寬光譜的高速脈沖調(diào)制應(yīng)用，對電光削波器提出高消光比、低半波電壓、寬透光波段、高溫度穩(wěn)定性、低成本等要求，器件的性能極大的依賴于電光晶體的性能。在少數(shù)可實用化的電光晶體中，LN晶體由于具有透光范圍寬、電光系數(shù)大、工作溫度范圍寬、不潮解、易生長大尺寸光學(xué)級單晶、易加工等優(yōu)勢，是制備電光削波器的優(yōu)選材料。

  創(chuàng)新工作

  南開大學(xué)弱光非線性光子學(xué)教育部重點實驗室孫軍教授課題組從大功率、寬光譜的高速脈沖調(diào)制應(yīng)用需求入手，綜合考慮晶體性能、電極結(jié)構(gòu)等，設(shè)計并制備了一種應(yīng)用于高速脈沖調(diào)制的低半波電壓體式LN電光削波器，并對其光學(xué)質(zhì)量、半波電壓、消光比、削波性能等進行了測試與表征。

  在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，為彌補體式和波導(dǎo)式電光調(diào)制器件的不足，擴展體式電光調(diào)制器件的調(diào)制帶寬，采用分布參數(shù)的平行板傳輸線電極構(gòu)成了行波調(diào)制器結(jié)構(gòu)(圖1)。

圖1 行波調(diào)制器結(jié)構(gòu)

  為降低器件的半波電壓，需利用LN晶體較大的有效電光系數(shù)，并合理設(shè)計晶體的橫縱比。在分析鈮酸鋰晶體的電光效應(yīng)的基礎(chǔ)上，采用沿晶體x軸方向通光、z軸方向加電的橫向電光調(diào)制工作方式。由于沿晶體非光軸方向通光，存在自然雙折射現(xiàn)象，需采用雙晶匹配的方式消除影響，如圖2所示。

圖2 LN雙晶匹配補償自然雙折射

  根據(jù)器件的特性阻抗、消光比、通光孔徑等設(shè)計晶體尺寸并加工，之后將晶體裝配于彈性支架中，固定晶體的同時避免引入夾持應(yīng)力。對裝配后的器件進行檢測，兩匹配晶體光學(xué)均勻性高，匹配良好，動態(tài)消光比可達200:1。

  理論計算器件的半波電壓約為730 V(@1064 nm)，外加直流電壓測得的半波電壓約為900 V，考慮到不同晶體的差異性和加工精度的差別，以及電光系數(shù)在高頻和低頻電場下測量值的差異，最終將脈沖幅值確定為800 V。

  高壓脈沖電源輸出電信號的脈寬實測值為0.95 ns，幅值實測值為803 V，重復(fù)頻率1 Hz。用LN電光削波器對1064 nm連續(xù)激光進行削波，獲得了重復(fù)頻率1 Hz、脈寬1.46 ns、上升沿約0.8 ns的脈沖輸出，如圖3所示。

圖3 削波后的激光脈沖

  總結(jié)與展望

  課題組基于雙晶匹配和行波電極結(jié)構(gòu)工作原理，設(shè)計并制備了一種應(yīng)用于高速脈沖調(diào)制的低半波電壓體式LN電光削波器。

  后續(xù)可通過對晶體切型及尺寸、電極結(jié)構(gòu)的改良設(shè)計，進一步降低器件的半波電壓，提高調(diào)制帶寬，并通過對驅(qū)動高壓脈沖信號參數(shù)(脈寬、重復(fù)頻率)的設(shè)置，獲得所需脈寬、重頻的激光脈沖輸出，滿足對脈沖波形進行精密控制的各種應(yīng)用需求。