用于电光Q开关的RTP晶体

时间:2024-02-28 来源:新特光电 访问量:1985

RbTiOPO4(RTP)晶体是一种具有优良综合性能的非线性光学晶体材料。RTP是目前最常用的具有高频率重复,高功率和窄脉冲宽度激光器Q开关的实用电光晶体。生长温度范围为950°C至800°C,生长期通常为45至60天,由于RTP的透明范围为0.4至3.5μm,因此可用于多种类型的激光器,例如Er:YAG激光器2.94μm,效率相当高。使用光热公共路径干涉仪,在1.064μm处的体积吸收测量范围为50至150ppm。RTP电光器件具有出色的综合性能,不仅用于激光微加工和激光测距,而且还用于重大的科学勘探项目。

近年来,高质量电光材料的出现引发了基于电光效应在固态激光器中产生高峰值功率脉冲的Q开关的广泛使用。最初,磷酸二氢钾(KDP)的水溶性晶体及其同晶型被广泛用于纵向模式,即电场沿光束方向施加时。它们具有吸湿性,需要带保护窗的密封外壳,但光学均匀度高,适用于大孔径应用。铌酸锂(LN.LiNbO3)在横向电极方向工作时,光线沿光轴传播,在千瓦范围内的平均功率下可实现更高的透射率或更低的插入损耗和更高的对比度。然而,LN也有一些局限性:损伤阈值低(~10MW/cm²)、压电效应和热电效应去极化。钽酸锂(LT,LiTaO3)与镧系元素同构,没有压电效应,但其两倍大的损伤阈值仍不足以用于高峰值功率、高重复率二极管泵浦固态激光器(DPSSL)。因此,尽管高损伤阈值BBO(BaB2O4)晶体的电光系数低、长度短(半波电压高,Vπ)、成本高,但最近仍被用于小孔径DPSSL。KTP(KTiOPO4)晶体具有很好的Q开关特性。晶体具有非常好的Q开关特性。当以热补偿模式工作时,KTP器件在高平均功率密度下显示出出色的抗热去极化能力。

我们首次研究了KTP同晶型(即RTP晶体)的Q开关特性。与KTP相比,RTP的电阻率要高出几个数量级,因此没有电致变色的迹象。我们设计并测试了一种用于高重复率DPSSL操作的热补偿(双晶)RTP Q开关。并与普通BBO Q开关进行了性能比较。。

大的65x65x65mm3 RTP晶体通过顶种溶液生长(TSSG)方法生长,其中在X取向种子上拉动。类似于KTP。该方法在大的平坦X面上产生了单扇区生长,并在YZ平面中形成了极为均匀的折射率分布,这对于改善在X方向上切割的Q开关元件的对比度和消光比是必不可少的。如图1所示,在高温下进行电极化(单原子化)后,将一对Z轴方向相互垂直的晶体制成热补偿设计的Q开关。在633nm处对每个晶体的正面和背面进行光学抛光,使其平坦度达到λ/10,平行度小于5弧秒。在ZX面上沉积Cr/Au电极。在1064nm波长下对 RTP晶体进行了抗反射涂层处理,残余反射率小于0.1%。结果,单向插入损耗小于0.8%。

双晶体 RTPQ 开关的热补偿设计

图 1. 双晶体 RTP Q开关的热补偿设计。

为了测试晶体作为高重复率激光器中的Q开关的性能,对RTP和商用BBO Q开关进行了比较。它们被放置在工作在kHz区域的二极管侧泵浦Nd:YAG  Z字形板激光器中。众所周知,Z字形几何结构能将热透镜和双折射最小化到一阶。Nd:YAG Brewster切割的Z字形板坯(2.5x2.5x47mm3)从相同的面进行泵浦和冷却。激光头包含两个相对侧的准直QCW激光二极管,输出峰值功率为200W,占空比为20%。 二极管光在进入板坯之前穿过冷却水。未被吸收的泵浦光从反射镜被引导回来,用于额外穿过板。40cm平凹激光腔由一个曲率半径为500cm的背镜和一个平面输出耦合器组成。偏振器和背镜之间安装了一个基于BBO或RTP晶体的电光Q开关。我们还研究了RTP和BBO晶体的压电效应。一束来自连续Nd:YAG激光器的光束穿过两个交叉偏振镜之间的普克尔盒。在RTP上施加1.75kV电压,在BBO上施加4.5kV电压,电脉冲的上升时间为10nsec,从而将普克尔盒切换到波长为1064nm的四分之一波长。

根据上述设置,即光沿X传播,电场沿Z施加,Vπ=(λ/rc2nz3)(d/l),其中 rc2 是每个晶体的适当电光系数,d- 高度,/- 每块晶体的长度。我们通过实验确定了RTP的电光系数和半波电压(分别对应于X和Y方向上的光传播的Vπ(X)和Vπ(Y)),结果如表1所示。

尽管Vπ(Y)>Vπ(X),但考虑到晶体在YZ平面中更好的光学均匀性,我们使用了图1的设置。然而,对于在Y方向上的光传播,可以制造在XZ平面中具有合理均匀性的小孔径器件。

在 λ= 633nm波长下,d=l时RTP的电光共振和半波电压。

图 1:在 λ= 633nm波长下,d=l时RTP的电光共振和半波电压。

通过将补偿RTPQ开关(具有两个11mm长的晶体)放置在交叉偏振器(与Z轴成45°)之间的热调节支架中,评估其传输对平均温度变化的不敏感性。通过系统传输的信号被测量为支架温度的函数。在25-125℃的温度范围内没有观察到透射变化。为了进行比较,如图2所示,等效长度(22mm)的RTP单晶显示出明确的周期性网状结构,周期约为2.5℃。

RTP普克尔盒(实线)和22mm长RTP晶体(虚线)的发射率随温度变化的曲线

图2.RTP普克尔盒(实线)和22mm长RTP晶体(虚线)的发射率随温度变化的曲线。

补偿Q开关的半波电压在该温度区间内也没有变化。Q开关的角度对准灵敏度约为12弧分。测量条件是消光比不低于100:1。

在高压脉冲作用下,压电效应会在非线性晶体中产生声波,从而在高压脉冲作用后很长时间内通过弹性光学效应继续调节晶体的双折射,从而损害其作为普克尔盒的性能。在高重复频率下激光器的有效Q开关意味着晶体相对不会产生压电效应。当激光束被锁定时,这种噪声仍然存在。任何可能产生的压电效应都小于3%(噪声水平)。相比之下,激光束被锁定为30KHz时运行的商用BBO Q开关显示的压电效应约为10%。在30kHz下的比较结果如图3所示。

5096e7eb7873fdc8f6d4b2afced1443.jpg 工作频率为30kHz的BBO Q开关

图3. 压电振铃效应比较。

我们用40%反射率的输出镜测量了RTP和BBO器件的平均Q开关输出功率和脉冲持续时间,两种普克尔盒都具有相似的性能,晶体的平均功率密度为2.3KW/cm²,峰值功率为150MW/cm²。不过,RTP晶体作为普克尔盒的优势在于,与BBO晶体的4kV电压相比,RTP晶体只需施加不到1kV的电压即可实现延迟。此外,由于两者的电光特性不同,RTP的孔径为6x6mm² ,而BBO的孔径仅为2.5mm。

iRTP普克尔盒

RTP属于KTP晶体家族。RTP具有出色的电光特性和高损伤阈值,是高端激光应用的完美解决方案。它非常适合需要高级特性的应用,非潮解性、高热稳定性和高重复率。

iRTP普克尔盒

我们的新型iRTP普克尔盒(PC)是第一款将RTP的优势带入电光器件大众市场的产品。iRTP(PC)是RTP的改良版,专为工业激光应用而设计。我们的iRTP(PC)是一种标准的现成解决方案,以标准工业PC的价格提供高性能的电光普克尔盒。

iRTPPC的特点

  • >1GW/cm²,更高的损伤阈值

  • <1ns快速上升下降沿,窄脉宽度

  • 非潮解材料

  • 吸收损耗低

  • 无振铃效应(至少到350kHz)

  • 10-50℃ 宽稳定使用温度范围热稳定性好

IRTP主要指标

孔径6x6mm8x8mm10x10mm
电容<6pf
半波电压3.3 kV @1064nm
透过率>99%
消光比27 dB @1064nm
损伤阈值typically,>1GW/cm²
调整轴1 轴
外型尺寸柱形:直径35mm, 长度35mm.
  立方形:35mmx35mmx35mm
上升时间<1 ns
稳定温度10-50

更多RTP晶体资料,请查阅:https://www.sinteclaser.com/optic/pockels-cells.html

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