專利名稱：風冷電光q開關的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于激光元器件領域，具體涉及一種風冷電光Q開關。
背景技術：
目前國內(nèi)、外主要應用的調(diào)Q技術和調(diào)制技術有聲光和電光技術。聲光調(diào)Q是利用聲光效應，使光被超聲場衍射或散射，從而改變激光諧振腔的損耗(Q值)。理論上，聲光Q開關關斷時間比電光Q開關長，而電光Q開關通過加入起偏器或檢偏器，對電光晶體加上1/4波電壓或1/2波電壓改變光的偏振態(tài)，開關時間短，效率高，調(diào)Q時刻可以精確控制，所以輸出脈沖寬度更窄，峰值功率更高；但是實際上連續(xù)泵浦的固體激光器的低增益特性要求插入損耗應當很低，電光調(diào)Q晶體本身對光的損耗要大于聲光器件，而且電光Q開關需要的電壓較高，對于外控制電路要求較高，難以做到高重復頻率。目前廣泛應用的電光晶體有LiNbO3，DKDP，硼酸鋇(BBO)等。一般來講對于1kHz以上的重復頻率，晶體發(fā)熱量較大，溫度升高，影響輸出光脈沖的半寬度和峰值功率，嚴重時損壞晶體。另外，在中、高功率激光器當中使用電光Q開關時，電光晶體溫度升高，而且半波電壓隨溫度的變化較大，所以多數(shù)采用水冷方式對晶體散熱。對于發(fā)展全風冷激光器，需要實現(xiàn)高頻Q開關由水冷到風冷的轉換。
電光Q開關系統(tǒng)由Q開關和電源系統(tǒng)組成。目前國外多家電光產(chǎn)品公司從事電光Q開關系統(tǒng)的研制，如美國的Cleveland Crystal，F(xiàn)astPulse Technology，Quantum Technology，英國的Leysop Ltd.德國的BME等，但是這些公司生產(chǎn)的產(chǎn)品都價格昂貴，國內(nèi)公司一般無法承受。Leysop Ltd.和BME公司研發(fā)了重復頻率為100kHz的電光Q開關，采用晶體為磷酸鈦氧釹(RTP)等(www.leysop.com，www.bme-bergmann.de)。但是RTP作為雙軸晶體，需要兩個同樣晶體在光路上串聯(lián)，并要求晶軸方向嚴格對齊，以補償光-熱效應，從而加大了光路調(diào)整的難度。
國內(nèi)電光Q開關性能上與國外有較大差距。例如天津大學與信息產(chǎn)業(yè)部電子第二十七研究所合作研究的風冷小型化電光調(diào)Q激光器采用燈泵浦做泵浦源，重復頻率低(5Hz)，半波電壓高(參見《光電子激光》第12卷第4期第382頁2001年4月“高效風冷小型化電光調(diào)Q-Nd:Ce:YAG激光器”)；安徽光機所宋標等人研制的電光調(diào)Q的Nd:YVO4激光器，其重復頻率雖然可以達到5kHz，但是輸出功率低(頻率1kHz時調(diào)Q功率160mW，參見《量子電子學報》2004年2月，第21卷，第1期第15頁“LD泵浦5kHz電光調(diào)Q的Nd:YVO4激光器”)。大多數(shù)機構也只限于理論研究，只有山東魯能中晶公司、安徽光機所等少數(shù)幾家單位可以將電光Q開關產(chǎn)品化，但主要問題仍然在于選擇晶體單一和重復頻率低(目前只限于DKDP晶體，100Hz以下重復頻率)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所欲解決的技術問題是提供一種適用于激光打標、切割等激光加工設備的全風冷、高重復頻率、使Q開關器件散熱簡單化、小型化的風冷電光Q開關。
為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是一種風冷電光Q開關，利用Pockels電光效應調(diào)Q，包括電光晶體、電極、絕緣導熱層及散熱器，電光晶體外側形成電極，金屬將電極引出外接高壓電源，絕緣導熱層緊密接觸電光晶體，另一側與散熱器緊密接觸。
本發(fā)明所達到的技術效果是1、高重復頻率，調(diào)Q重復頻率最高可達50kHz；2、無需水冷或其它方式制冷，結構緊湊；3、硅酸鎵鑭(La3Ga5SiO14，簡稱LGS)作為一種較新的電光晶體已經(jīng)成功用于電光調(diào)Q，該晶體具有較高的抗損傷閾值(900MW/cm2)，半波電壓隨溫度變化不大，不潮節(jié)等優(yōu)點，適合作為中等功率激光器的調(diào)Q器件；4、大功率泵浦應用時光脈沖寬度小于10ns，適用于激光精細加工。


圖1是本發(fā)明電光Q開關的結構示意圖；圖2是本發(fā)明電光Q開關電光調(diào)Q激光器光路示意圖；圖3是采用圖2所示的光路測得的30kHz重復頻率時的激光功率與脈沖寬度值曲線；圖4是30kHz重復頻率時示波器上采集的單個脈沖波形；圖5是30kHz重復頻率時示波器上采集的多個脈沖波形。
圖中電光晶體1 電極2絕緣導熱層 3 散熱器 4Nd:YVO4 5 反射鏡 6泵浦源 7 偏振片 8全反鏡 9 輸出鏡 10具體實施方式
如圖1所示，本發(fā)明電光Q開關包括電光晶體1、電極2、絕緣導熱層3及散熱器4。硅酸鎵鑭(La3Ga5SiO14，簡稱LGS)作為一種較新的電光晶體已經(jīng)成功用于電光調(diào)Q。該晶體具有較高的抗損傷閾值(900MW/cm2)，半波電壓隨溫度變化不大，不潮節(jié)等優(yōu)點，適合作為中等功率激光器的調(diào)Q器件，且其本身的旋光性帶來的不利因素也已經(jīng)得到解決。(參見①Haikuan Kong，Jiyang Wang，HuaijinZhang，Xin Yin，Shaoiun Zhang，Yaogang Liu，Xiufeng Cheng，Lei Gao，Xiaobo Hu，Minhua Jiang，”Growth，Properties and applecation as anelectro-optic Q-switch of langasite crytal”J.Crystal Growth 254(2003)360-367，②山東大學向中國國家知識產(chǎn)權局申請的專利第02110374.7號)。本發(fā)明充分發(fā)掘其潛力應用于高重復頻率的中、高功率激光器當中，亦即本發(fā)明的電光晶體1采用硅酸鎵鑭(LGS)，也可以采用鈮酸鋰(LN)、磷酸鈦氧鉀(KTP)、硼酸鋇(BBO)、磷酸鈦氧釹(RTP)等其他晶體，適合于長時間工作，性能穩(wěn)定，在確保實用性的同時，大大降低了成本，有利于產(chǎn)品化。電光晶體1外鍍金形成電極2，并于其通光方向加增透膜(圖未示)；本發(fā)明可用金屬緊貼電極2將其引出，外接高壓電源。本發(fā)明采用Pockels電光效應調(diào)Q，通過外接的高壓電源使本發(fā)明適用于升壓方式、退壓方式，1/2波電壓、1/4波電壓等不同的調(diào)Q方式。與電光晶體1緊密接觸采用白寶石等材料充當絕緣導熱層3，以使電極2與散熱器4外殼絕緣，并同時保證良好的散熱。本發(fā)明采用白寶石作為絕緣導熱層3，熱傳導率高，有利于電光晶體1的熱量快速傳遞至外部散熱器4，同時白寶石也是優(yōu)良的絕緣材料。本發(fā)明絕緣導熱層3也可以采用鉆石、導熱絕緣膠體、或導熱塑料體作為導熱、絕緣材料，使電極2與外部散熱器4熱導通、電隔離。絕緣導熱層3另一側與散熱器4緊密接觸，完全實現(xiàn)風冷散熱。為了各個部分緊密接觸以利于散熱，散熱器4采用分體式設計，使得四個方向上均受力向中心壓緊，并對寶石絕緣導熱層3和金屬散熱器4內(nèi)壁的光潔度和平行度有一定要求。散熱器4采用導熱性能良好的金屬材料、或導熱晶體、或導熱性能良好的塑料體加工形成。
本發(fā)明在自研制的脈沖高壓電源系統(tǒng)驅動下實現(xiàn)調(diào)Q，頻率最高可達50kHz，光脈沖波形穩(wěn)定，典型脈寬20ns，室溫條件下連續(xù)工作12小時晶體不超過33℃。當應用于較低重復頻率時，電光Q開關散熱器4可以縮小體積，甚至不必加工成齒狀散熱片，可以靠Q開關底座與外部相連散熱，或也可采用非散熱式外殼。
我們把電光Q開關加入到不同腔型激光器當中，證明器件性能可靠。圖2為二極管雙端泵浦電光調(diào)Q激光器示例。實驗中采用U型激光腔，激光晶體Nd:YVO4 5置于兩個45°反射鏡6中間，泵浦源7位于兩側，電光晶體1置于1064nm全反鏡9一側，偏振片8置于電光晶體1和其中一45°反射鏡6之間，泵浦源7泵浦激光經(jīng)光路系統(tǒng)后由輸出鏡10輸出。電光晶體1加上1/4波電壓時諧振腔處于高損耗、低Q值狀態(tài)，退壓后諧振腔導通，激光脈沖輸出。加大泵浦源輸入功率，輸出激光功率升高，脈寬變窄，圖3中列出了重復頻率為30kHz時的調(diào)Q頻率和輸出脈寬隨泵浦源功率的變化曲線。圖4和圖5分別為30kHz調(diào)Q時單個脈沖波形和多個脈沖的波形，高泵浦功率情況下脈寬26ns，調(diào)Q功率12W，經(jīng)長時間實驗測試工作穩(wěn)定。
權利要求
1.一種風冷電光Q開關，利用Pockels電光效應調(diào)Q，包括電光晶體、電極、絕緣導熱層及散熱器，其特征在于電光晶體外側形成電極，金屬將電極引出外接高壓電源，絕緣導熱層緊密接觸電光晶體，另一側與散熱器緊密接觸。
2.根據(jù)權利要求1所述的風冷電光Q開關，其特征在于所述絕緣導熱層采用白寶石、鉆石、導熱絕緣膠體、或導熱塑料體作為導熱、絕緣材料，使電極與外部散熱器熱導通、電隔離。
3.根據(jù)權利要求1所述的風冷電光Q開關，其特征在于所述散熱器采用導熱性能良好的金屬材料、或導熱晶體、或導熱性能良好的塑料體加工形成。
4.根據(jù)權利要求1所述的風冷電光Q開關，其特征在于所述散熱器采用分體式設計。
5.根據(jù)權利要求1所述的風冷電光Q開關，其特征在于所述電光晶體采用硅酸鎵鑭、鈮酸鋰、磷酸鈦氧鉀、硼酸鋇或磷酸鈦氧釹晶體。
6.根據(jù)權利要求1所述的風冷電光Q開關，其特征在于所述電光效應調(diào)Q適用升壓方式、退壓方式，1/2波電壓、1/4波電壓。
全文摘要
本發(fā)明公開一種風冷電光Q開關，利用Pockels電光效應調(diào)Q，包括電光晶體、電極、絕緣導熱層及散熱器，電光晶體外側形成電極，金屬將電極引出外接高壓電源，絕緣導熱層緊密接觸電光晶體，另一側與散熱器緊密接觸。本發(fā)明電光Q開關重復頻率高、全風冷式設計，散熱結構簡單、緊湊，散熱效果良好。
文檔編號H01S3/11GK1976143SQ200510101870
公開日2007年6月6日 申請日期2005年11月28日 優(yōu)先權日2005年11月28日
發(fā)明者高云峰, 王民俊, 肖崗, 周德平 申請人:深圳市大族激光科技股份有限公司