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，通過外加電場改變電光晶體的折射率，從而改變光通過晶體后的位相，配合正交偏振系統使用，可實現光強調制。電光削波器具有響應速度快、控制精度高等特點，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廣泛的應用。隨著光電子科學與技術的飛速發展，電光調制器件朝著高速率、高帶寬、大消光比、大功率、寬光譜、低功耗等方向發展。

  目前，常見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于電光晶體的性能。在少數可實用化的電光晶體中，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、易生長大尺寸光學級單晶、易加工等優勢，是制備電光削波器的優選材料。

  創新工作

  南開大學弱光非線性光子學教育部重點實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，并對其光學質量、半波電壓、消光比、削波性能等進行了測試與表征。

  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，固定晶體的同時避免引入夾持應力。對裝配后的器件進行檢測，兩匹配晶體光學均勻性高，匹配良好，動態消光比可達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測值為0.95 ns，幅值實測值為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。

  后續可通過對晶體切型及尺寸、電極結構的改良設計，進一步降低器件的半波電壓，提高調制帶寬，并通過對驅動高壓脈沖信號參數(脈寬、重復頻率)的設置，獲得所需脈寬、重頻的激光脈沖輸出，滿足對脈沖波形進行精密控制的各種應用需求。