用于電光Q開關的RTP晶體

RbTiOPO4(RTP)晶體是一種具有優良綜合性能的非線性光學晶體材料。RTP是目前最常用的具有高頻率重復，高功率和窄脈沖寬度激光器Q開關的實用電光晶體。生長溫度范圍為950°C至800°C，生長期通常為45至60天，由于RTP的透明范圍為0.4至3.5μm，因此可用于多種類型的激光器，例如Er:YAG激光器2.94μm，效率相當高。使用光熱公共路徑干涉儀，在1.064μm處的體積吸收測量范圍為50至150ppm。RTP電光器件具有出色的綜合性能，不僅用于激光微加工和激光測距，而且還用于重大的科學勘探項目。

近年來，高質量電光材料的出現引發了基于電光效應在固態激光器中產生高峰值功率脈沖的Q開關的廣泛使用。最初，磷酸二氫鉀(KDP)的水溶性晶體及其同晶型被廣泛用于縱向模式，即電場沿光束方向施加時。它們具有吸濕性，需要帶保護窗的密封外殼，但光學均勻度高，適用于大孔徑應用。鈮酸鋰(LN.LiNbO3)在橫向電極方向工作時，光線沿光軸傳播，在千瓦范圍內的平均功率下可實現更高的透射率或更低的插入損耗和更高的對比度。然而，LN也有一些局限性：損傷閾值低(~10MW/cm2)、壓電效應和熱電效應去極化。鉭酸鋰(LT，LiTaO3)與鑭系元素同構，沒有壓電效應，但其兩倍大的損傷閾值仍不足以用于高峰值功率、高重復率二極管泵浦固態激光器(DPSSL)。因此，盡管高損傷閾值BBO(BaB2O4)晶體的電光系數低、長度短(半波電壓高，Vπ)、成本高，但最近仍被用于小孔徑DPSSL。KTP(KTiOPO4)晶體具有很好的Q開關特性。晶體具有非常好的Q開關特性。當以熱補償模式工作時，KTP器件在高平均功率密度下顯示出出色的抗熱去極化能力。

我們首次研究了KTP同晶型(即RTP晶體)的Q開關特性。與KTP相比，RTP的電阻率要高出幾個數量級，因此沒有電致變色的跡象。我們設計并測試了一種用于高重復率DPSSL操作的熱補償（雙晶）RTP Q開關。并與普通BBO Q開關進行了性能比較。。

大的65x65x65mm³ RTP晶體通過頂種溶液生長(TSSG)方法生長，其中在X取向種子上拉動。類似于KTP。該方法在大的平坦X面上產生了單扇區生長，并在YZ平面中形成了極為均勻的折射率分布，這對于改善在X方向上切割的Q開關元件的對比度和消光比是必不可少的。如圖1所示，在高溫下進行電極化(單原子化)后，將一對Z軸方向相互垂直的晶體制成熱補償設計的Q開關。在633nm處對每個晶體的正面和背面進行光學拋光，使其平坦度達到λ/10，平行度小于5弧秒。在ZX面上沉積Cr/Au電極。在1064nm波長下對 RTP晶體進行了抗反射涂層處理，殘余反射率小于0.1%。結果，單向插入損耗小于0.8%。

圖 1. 雙晶體 RTP Q開關的熱補償設計。

為了測試晶體作為高重復率激光器中的Q開關的性能，對RTP和商用BBO Q開關進行了比較。它們被放置在工作在kHz區域的二極管側泵浦Nd:YAG  Z字形板激光器中。眾所周知，Z字形幾何結構能將熱透鏡和雙折射最小化到一階。Nd:YAG Brewster切割的Z字形板坯(2.5x2.5x47mm³)從相同的面進行泵浦和冷卻。激光頭包含兩個相對側的準直QCW激光二極管，輸出峰值功率為200W，占空比為20%。 二極管光在進入板坯之前穿過冷卻水。未被吸收的泵浦光從反射鏡被引導回來，用于額外穿過板。40cm平凹激光腔由一個曲率半徑為500cm的背鏡和一個平面輸出耦合器組成。偏振器和背鏡之間安裝了一個基于BBO或RTP晶體的電光Q開關。我們還研究了RTP和BBO晶體的壓電效應。一束來自連續Nd:YAG激光器的光束穿過兩個交叉偏振鏡之間的普克爾盒。在RTP上施加1.75kV電壓，在BBO上施加4.5kV電壓，電脈沖的上升時間為10nsec，從而將普克爾盒切換到波長為1064nm的四分之一波長。

根據上述設置，即光沿X傳播，電場沿Z施加，Vπ=(λ/rc²n_z³)(d/l)，其中 rc² 是每個晶體的適當電光系數，d- 高度，/- 每塊晶體的長度。我們通過實驗確定了RTP的電光系數和半波電壓（分別對應于X和Y方向上的光傳播的Vπ(X)和Vπ(Y)），結果如表1所示。

盡管Vπ(Y)>Vπ(X)，但考慮到晶體在YZ平面中更好的光學均勻性，我們使用了圖1的設置。然而，對于在Y方向上的光傳播，可以制造在XZ平面中具有合理均勻性的小孔徑器件。

圖 1：在 λ= 633nm波長下，d=l時RTP的電光共振和半波電壓。

通過將補償RTPQ開關(具有兩個11mm長的晶體)放置在交叉偏振器(與Z軸成45°)之間的熱調節支架中，評估其傳輸對平均溫度變化的不敏感性。通過系統傳輸的信號被測量為支架溫度的函數。在25-125℃的溫度范圍內沒有觀察到透射變化。為了進行比較，如圖2所示，等效長度(22mm)的RTP單晶顯示出明確的周期性網狀結構，周期約為2.5℃。

圖2.RTP普克爾盒(實線)和22mm長RTP晶體(虛線)的發射率隨溫度變化的曲線。

補償Q開關的半波電壓在該溫度區間內也沒有變化。Q開關的角度對準靈敏度約為12弧分。測量條件是消光比不低于100:1。

在高壓脈沖作用下，壓電效應會在非線性晶體中產生聲波，從而在高壓脈沖作用后很長時間內通過彈性光學效應繼續調節晶體的雙折射，從而損害其作為普克爾盒的性能。在高重復頻率下激光器的有效Q開關意味著晶體相對不會產生壓電效應。當激光束被鎖定時，這種噪聲仍然存在。任何可能產生的壓電效應都小于3%(噪聲水平)。相比之下，激光束被鎖定為30KHz時運行的商用BBO Q開關顯示的壓電效應約為10%。在30kHz下的比較結果如圖3所示。

圖3. 壓電振鈴效應比較。

我們用40%反射率的輸出鏡測量了RTP和BBO器件的平均Q開關輸出功率和脈沖持續時間，兩種普克爾盒都具有相似的性能，晶體的平均功率密度為2.3KW/cm2，峰值功率為150MW/cm2。不過，RTP晶體作為普克爾盒的優勢在于，與BBO晶體的4kV電壓相比，RTP晶體只需施加不到1kV的電壓即可實現延遲。此外，由于兩者的電光特性不同，RTP的孔徑為6x6mm2 ，而BBO的孔徑僅為2.5mm。

iRTP普克爾盒

RTP屬于KTP晶體家族。RTP具有出色的電光特性和高損傷閾值，是高端激光應用的完美解決方案。它非常適合需要高級特性的應用，非潮解性、高熱穩定性和高重復率。

我們的新型iRTP普克爾盒(PC)是第一款將RTP的優勢帶入電光器件大眾市場的產品。iRTP(PC)是RTP的改良版，專為工業激光應用而設計。我們的iRTP(PC)是一種標準的現成解決方案，以標準工業PC的價格提供高性能的電光普克爾盒。

iRTPPC的特點

• >1GW/cm2,更高的損傷閾值

• <1ns快速上升下降沿，窄脈寬度

• 非潮解材料

• 吸收損耗低

• 無振鈴效應(至少到350kHz)

• 10-50℃ 寬穩定使用溫度范圍熱穩定性好

IRTP主要指標

更多RTP晶體資料，請查閱：http://www.haoyi1688.cn/optic/pockels-cells.html