專利名稱：風(fēng)冷電光q開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光元器件領(lǐng)域，具體涉及一種風(fēng)冷電光Q開關(guān)。
背景技術(shù)：
目前國內(nèi)、外主要應(yīng)用的調(diào)Q技術(shù)和調(diào)制技術(shù)有聲光和電光技術(shù)。聲光調(diào)Q是利用聲光效應(yīng)，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(guān)關(guān)斷時間比電光Q開關(guān)長，而電光Q開關(guān)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(guān)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(shí)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(yīng)當(dāng)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(guān)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(fù)頻率。目前廣泛應(yīng)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(fù)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(yán)重時損壞晶體。另外，在中、高功率激光器當(dāng)中使用電光Q開關(guān)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(fēng)冷激光器，需要實(shí)現(xiàn)高頻Q開關(guān)由水冷到風(fēng)冷的轉(zhuǎn)換。
電光Q開關(guān)系統(tǒng)由Q開關(guān)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(guān)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(fù)頻率為100kHz的電光Q開關(guān)，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(yán)格對齊，以補(bǔ)償光-熱效應(yīng)，從而加大了光路調(diào)整的難度。
國內(nèi)電光Q開關(guān)性能上與國外有較大差距。例如天津大學(xué)與信息產(chǎn)業(yè)部電子第二十七研究所合作研究的風(fēng)冷小型化電光調(diào)Q激光器采用燈泵浦做泵浦源，重復(fù)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(fēng)冷小型化電光調(diào)Q-Nd:Ce:YAG激光器”)；安徽光機(jī)所宋標(biāo)等人研制的電光調(diào)Q的Nd:YVO4激光器，其重復(fù)頻率雖然可以達(dá)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(xué)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(jī)構(gòu)也只限于理論研究，只有山東魯能中晶公司、安徽光機(jī)所等少數(shù)幾家單位可以將電光Q開關(guān)產(chǎn)品化，但主要問題仍然在于選擇晶體單一和重復(fù)頻率低(目前只限于DKDP晶體，100Hz以下重復(fù)頻率)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所欲解決的技術(shù)問題是提供一種適用于激光打標(biāo)、切割等激光加工設(shè)備的全風(fēng)冷、高重復(fù)頻率、使Q開關(guān)器件散熱簡單化、小型化的風(fēng)冷電光Q開關(guān)。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種風(fēng)冷電光Q開關(guān)，利用Pockels電光效應(yīng)調(diào)Q，包括電光晶體、電極、絕緣導(dǎo)熱層及散熱器，電光晶體外側(cè)形成電極，金屬將電極引出外接高壓電源，絕緣導(dǎo)熱層緊密接觸電光晶體，另一側(cè)與散熱器緊密接觸。
本發(fā)明所達(dá)到的技術(shù)效果是1、高重復(fù)頻率，調(diào)Q重復(fù)頻率最高可達(dá)50kHz；2、無需水冷或其它方式制冷，結(jié)構(gòu)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(diǎn)，適合作為中等功率激光器的調(diào)Q器件；4、大功率泵浦應(yīng)用時光脈沖寬度小于10ns，適用于激光精細(xì)加工。


圖1是本發(fā)明電光Q開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明電光Q開關(guān)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(fù)頻率時的激光功率與脈沖寬度值曲線；圖4是30kHz重復(fù)頻率時示波器上采集的單個脈沖波形；圖5是30kHz重復(fù)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(dǎo)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(shí)施方式
如圖1所示，本發(fā)明電光Q開關(guān)包括電光晶體1、電極2、絕緣導(dǎo)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(diǎn)，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(xué)向中國國家知識產(chǎn)權(quán)局申請的專利第02110374.7號)。本發(fā)明充分發(fā)掘其潛力應(yīng)用于高重復(fù)頻率的中、高功率激光器當(dāng)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(shí)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(yīng)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(dāng)絕緣導(dǎo)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(dǎo)熱層3，熱傳導(dǎo)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(dǎo)熱層3也可以采用鉆石、導(dǎo)熱絕緣膠體、或?qū)崴芰象w作為導(dǎo)熱、絕緣材料，使電極2與外部散熱器4熱導(dǎo)通、電隔離。絕緣導(dǎo)熱層3另一側(cè)與散熱器4緊密接觸，完全實(shí)現(xiàn)風(fēng)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(shè)計，使得四個方向上均受力向中心壓緊，并對寶石絕緣導(dǎo)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(dǎo)熱性能良好的金屬材料、或?qū)峋w、或?qū)嵝阅芰己玫乃芰象w加工形成。
本發(fā)明在自研制的脈沖高壓電源系統(tǒng)驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)調(diào)Q，頻率最高可達(dá)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(dāng)應(yīng)用于較低重復(fù)頻率時，電光Q開關(guān)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(guān)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(guān)加入到不同腔型激光器當(dāng)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(shí)驗(yàn)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(cè)，電光晶體1置于1064nm全反鏡9一側(cè)，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(dǎo)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(fù)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(shí)驗(yàn)測試工作穩(wěn)定。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)冷電光Q開關(guān)，利用Pockels電光效應(yīng)調(diào)Q，包括電光晶體、電極、絕緣導(dǎo)熱層及散熱器，其特征在于電光晶體外側(cè)形成電極，金屬將電極引出外接高壓電源，絕緣導(dǎo)熱層緊密接觸電光晶體，另一側(cè)與散熱器緊密接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)冷電光Q開關(guān)，其特征在于所述絕緣導(dǎo)熱層采用白寶石、鉆石、導(dǎo)熱絕緣膠體、或?qū)崴芰象w作為導(dǎo)熱、絕緣材料，使電極與外部散熱器熱導(dǎo)通、電隔離。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)冷電光Q開關(guān)，其特征在于所述散熱器采用導(dǎo)熱性能良好的金屬材料、或?qū)峋w、或?qū)嵝阅芰己玫乃芰象w加工形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)冷電光Q開關(guān)，其特征在于所述散熱器采用分體式設(shè)計。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)冷電光Q開關(guān)，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(quán)利要求1所述的風(fēng)冷電光Q開關(guān)，其特征在于所述電光效應(yīng)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(fēng)冷電光Q開關(guān)，利用Pockels電光效應(yīng)調(diào)Q，包括電光晶體、電極、絕緣導(dǎo)熱層及散熱器，電光晶體外側(cè)形成電極，金屬將電極引出外接高壓電源，絕緣導(dǎo)熱層緊密接觸電光晶體，另一側(cè)與散熱器緊密接觸。本發(fā)明電光Q開關(guān)重復(fù)頻率高、全風(fēng)冷式設(shè)計，散熱結(jié)構(gòu)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(quán)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