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的調制器件，通過(guò)外加電場(chǎng)改變電光晶體的折射率，從而改變光通過(guò)晶體后的位相，配合正交偏振系統使用，可實(shí)現光強調制。電光削波器具有響應速度快、控制精度高等特點(diǎn)，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(zhù)廣泛的應用。隨著(zhù)光電子科學(xué)與技術(shù)的飛速發(fā)展，電光調制器件朝著(zhù)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(jiàn)的電光調制器分為體式和波導式兩種。傳統體式電光調制器可應用于大功率激光系統，但其半波電壓受晶體尺寸影響通常較高(在kV量級)，調制帶寬適中(通常為百MHz量級);波導式電光調制器件的帶寬較高(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用。

  大功率、寬光譜的高速脈沖調制應用，對電光削波器提出高消光比、低半波電壓、寬透光波段、高溫度穩定性、低成本等要求，器件的性能極大的依賴(lài)于電光晶體的性能。在少數可實(shí)用化的電光晶體中，LN晶體由于具有透光范圍寬、電光系數大、工作溫度范圍寬、不潮解、易生長(cháng)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(kāi)大學(xué)弱光非線(xiàn)性光子學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室孫軍教授課題組從大功率、寬光譜的高速脈沖調制應用需求入手，綜合考慮晶體性能、電極結構等，設計并制備了一種應用于高速脈沖調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(jìn)行了測試與表征。

  在結構設計方面，為彌補體式和波導式電光調制器件的不足，擴展體式電光調制器件的調制帶寬，采用分布參數的平行板傳輸線(xiàn)電極構成了行波調制器結構(圖1)。

圖1 行波調制器結構

  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，并合理設計晶體的橫縱比。在分析鈮酸鋰晶體的電光效應的基礎上，采用沿晶體x軸方向通光、z軸方向加電的橫向電光調制工作方式。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

  根據器件的特性阻抗、消光比、通光孔徑等設計晶體尺寸并加工，之后將晶體裝配于彈性支架中，固定晶體的同時(shí)避免引入夾持應力。對裝配后的器件進(jìn)行檢測，兩匹配晶體光學(xué)均勻性高，匹配良好，動(dòng)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，以及電光系數在高頻和低頻電場(chǎng)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(shí)測值為0.95 ns，幅值實(shí)測值為803 V，重復頻率1 Hz。用LN電光削波器對1064 nm連續激光進(jìn)行削波，獲得了重復頻率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

  總結與展望

  課題組基于雙晶匹配和行波電極結構工作原理，設計并制備了一種應用于高速脈沖調制的低半波電壓體式LN電光削波器。

  后續可通過(guò)對晶體切型及尺寸、電極結構的改良設計，進(jìn)一步降低器件的半波電壓，提高調制帶寬，并通過(guò)對驅動(dòng)高壓脈沖信號參數(脈寬、重復頻率)的設置，獲得所需脈寬、重頻的激光脈沖輸出，滿(mǎn)足對脈沖波形進(jìn)行精密控制的各種應用需求。