风冷电光Q开关.pdf

本发明公开一种风冷电光Q开关，利用Pockels电光效应调Q，包括电光晶体、电极、绝缘导热层及散热器，电光晶体外侧形成电极，金属将电极引出外接高压电源，绝缘导热层紧密接触电光晶体，另一侧与散热器紧密接触。本发明电光Q开关重复频率高、全风冷式设计，散热结构简单、紧凑，散热效果良好。

1.  一种风冷电光Q开关，利用Pockels电光效应调Q，包括电光晶体、电极、绝缘导热层及散热器，其特征在于：电光晶体外侧形成电极，金属将电极引出外接高压电源，绝缘导热层紧密接触电光晶体，另一侧与散热器紧密接触。

2.  根据权利要求1所述的风冷电光Q开关，其特征在于：所述绝缘导热层采用白宝石、钻石、导热绝缘胶体、或导热塑料体作为导热、绝缘材料，使电极与外部散热器热导通、电隔离。

3.  根据权利要求1所述的风冷电光Q开关，其特征在于：所述散热器采用导热性能良好的金属材料、或导热晶体、或导热性能良好的塑料体加工形成。

4.  根据权利要求1所述的风冷电光Q开关，其特征在于：所述散热器采用分体式设计。

5.  根据权利要求1所述的风冷电光Q开关，其特征在于：所述电光晶体采用硅酸镓镧、铌酸锂、磷酸钛氧钾、硼酸钡或磷酸钛氧钕晶体。

6.  根据权利要求1所述的风冷电光Q开关，其特征在于：所述电光效应调Q适用升压方式、退压方式，1/2波电压、1/4波电压。

风冷电光Q开关
技术领域
本发明属于激光元器件领域，具体涉及一种风冷电光Q开关。
背景技术
目前国内、外主要应用的调Q技术和调制技术有声光和电光技术。声光调Q是利用声光效应，使光被超声场衍射或散射，从而改变激光谐振腔的损耗(Q值)。理论上，声光Q开关关断时间比电光Q开关长，而电光Q开关通过加入起偏器或检偏器，对电光晶体加上1/4波电压或1/2波电压改变光的偏振态，开关时间短，效率高，调Q时刻可以精确控制，所以输出脉冲宽度更窄，峰值功率更高；但是实际上连续泵浦的固体激光器的低增益特性要求插入损耗应当很低，电光调Q晶体本身对光的损耗要大于声光器件，而且电光Q开关需要的电压较高，对于外控制电路要求较高，难以做到高重复频率。目前广泛应用的电光晶体有LiNbO3，DKDP，硼酸钡(BBO)等。一般来讲对于1kHz以上的重复频率，晶体发热量较大，温度升高，影响输出光脉冲的半宽度和峰值功率，严重时损坏晶体。另外，在中、高功率激光器当中使用电光Q开关时，电光晶体温度升高，而且半波电压随温度的变化较大，所以多数采用水冷方式对晶体散热。对于发展全风冷激光器，需要实现高频Q开关由水冷到风冷的转换。
电光Q开关系统由Q开关和电源系统组成。目前国外多家电光产品公司从事电光Q开关系统的研制，如美国的Cleveland Crystal，FastPulse Technology，Quantum Technology，英国的Leysop Ltd.德国的BME等，但是这些公司生产的产品都价格昂贵，国内公司一般无法承受。Leysop Ltd.和BME公司研发了重复频率为100kHz的电光Q开关，采用晶体为磷酸钛氧钕(RTP)等(www.leysop.com，www.bme-bergmann.de)。但是RTP作为双轴晶体，需要两个同样晶体在光路上串联，并要求晶轴方向严格对齐，以补偿光-热效应，从而加大了光路调整的难度。
国内电光Q开关性能上与国外有较大差距。例如天津大学与信息产业部电子第二十七研究所合作研究的风冷小型化电光调Q激光器采用灯泵浦做泵浦源，重复频率低(5Hz)，半波电压高(参见《光电子激光》第12卷第4期第382页2001年4月“高效风冷小型化电光调Q-Nd:Ce:YAG激光器”)；安徽光机所宋标等人研制的电光调Q的Nd:YVO4激光器，其重复频率虽然可以达到5kHz，但是输出功率低(频率1kHz时调Q功率160mW，参见《量子电子学报》2004年2月，第21卷，第1期第15页“LD泵浦5kHz电光调Q的Nd:YVO4激光器”)。大多数机构也只限于理论研究，只有山东鲁能中晶公司、安徽光机所等少数几家单位可以将电光Q开关产品化，但主要问题仍然在于选择晶体单一和重复频率低(目前只限于DKDP晶体，100Hz以下重复频率)。
发明内容
本发明所欲解决的技术问题是提供一种适用于激光打标、切割等激光加工设备的全风冷、高重复频率、使Q开关器件散热简单化、小型化的风冷电光Q开关。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种风冷电光Q开关，利用Pockels电光效应调Q，包括电光晶体、电极、绝缘导热层及散热器，电光晶体外侧形成电极，金属将电极引出外接高压电源，绝缘导热层紧密接触电光晶体，另一侧与散热器紧密接触。
本发明所达到的技术效果是：1、高重复频率，调Q重复频率最高可达50kHz；2、无需水冷或其它方式制冷，结构紧凑；3、硅酸镓镧(La₃Ga₅SiO₁₄，简称LGS)作为一种较新的电光晶体已经成功用于电光调Q，该晶体具有较高的抗损伤阈值(900MW/cm²)，半波电压随温度变化不大，不潮节等优点，适合作为中等功率激光器的调Q器件；4、大功率泵浦应用时光脉冲宽度小于10ns，适用于激光精细加工。
附图说明
图1是本发明电光Q开关的结构示意图；
图2是本发明电光Q开关电光调Q激光器光路示意图；
图3是采用图2所示的光路测得的30kHz重复频率时的激光功率与脉冲宽度值曲线；
图4是30kHz重复频率时示波器上采集的单个脉冲波形；
图5是30kHz重复频率时示波器上采集的多个脉冲波形。
图中：
电光晶体            1          电极            2
绝缘导热层          3          散热器          4
Nd:YVO4             5          反射镜          6
泵浦源              7          偏振片          8
全反镜              9          输出镜          10
具体实施方式
如图1所示，本发明电光Q开关包括电光晶体1、电极2、绝缘导热层3及散热器4。硅酸镓镧(La₃Ga₅SiO₁₄，简称LGS)作为一种较新的电光晶体已经成功用于电光调Q。该晶体具有较高的抗损伤阈值(900MW/cm²)，半波电压随温度变化不大，不潮节等优点，适合作为中等功率激光器的调Q器件，且其本身的旋光性带来的不利因素也已经得到解决。(参见：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山东大学向中国国家知识产权局申请的专利第02110374.7号)。本发明充分发掘其潜力应用于高重复频率的中、高功率激光器当中，亦即本发明的电光晶体1采用硅酸镓镧(LGS)，也可以采用铌酸锂(LN)、磷酸钛氧钾(KTP)、硼酸钡(BBO)、磷酸钛氧钕(RTP)等其他晶体，适合于长时间工作，性能稳定，在确保实用性的同时，大大降低了成本，有利于产品化。电光晶体1外镀金形成电极2，并于其通光方向加增透膜(图未示)；本发明可用金属紧贴电极2将其引出，外接高压电源。本发明采用Pockels电光效应调Q，通过外接的高压电源使本发明适用于升压方式、退压方式，1/2波电压、1/4波电压等不同的调Q方式。与电光晶体1紧密接触采用白宝石等材料充当绝缘导热层3，以使电极2与散热器4外壳绝缘，并同时保证良好的散热。本发明采用白宝石作为绝缘导热层3，热传导率高，有利于电光晶体1的热量快速传递至外部散热器4，同时白宝石也是优良的绝缘材料。本发明绝缘导热层3也可以采用钻石、导热绝缘胶体、或导热塑料体作为导热、绝缘材料，使电极2与外部散热器4热导通、电隔离。绝缘导热层3另一侧与散热器4紧密接触，完全实现风冷散热。为了各个部分紧密接触以利于散热，散热器4采用分体式设计，使得四个方向上均受力向中心压紧，并对宝石绝缘导热层3和金属散热器4内壁的光洁度和平行度有一定要求。散热器4采用导热性能良好的金属材料、或导热晶体、或导热性能良好的塑料体加工形成。
本发明在自研制的脉冲高压电源系统驱动下实现调Q，频率最高可达50kHz，光脉冲波形稳定，典型脉宽20ns，室温条件下连续工作12小时晶体不超过33℃。当应用于较低重复频率时，电光Q开关散热器4可以缩小体积，甚至不必加工成齿状散热片，可以靠Q开关底座与外部相连散热，或也可采用非散热式外壳。
我们把电光Q开关加入到不同腔型激光器当中，证明器件性能可靠。图2为二极管双端泵浦电光调Q激光器示例。实验中采用U型激光腔，激光晶体Nd:YVO4 5置于两个45°反射镜6中间，泵浦源7位于两侧，电光晶体1置于1064nm全反镜9一侧，偏振片8置于电光晶体1和其中一45°反射镜6之间，泵浦源7泵浦激光经光路系统后由输出镜10输出。电光晶体1加上1/4波电压时谐振腔处于高损耗、低Q值状态，退压后谐振腔导通，激光脉冲输出。加大泵浦源输入功率，输出激光功率升高，脉宽变窄，图3中列出了重复频率为30kHz时的调Q频率和输出脉宽随泵浦源功率的变化曲线。图4和图5分别为30kHz调Q时单个脉冲波形和多个脉冲的波形，高泵浦功率情况下脉宽26ns，调Q功率12W，经长时间实验测试工作稳定。