調制光束的最佳方式是什么——AOM 還是 EOM？

當今市場上的激光光束調制器產品種類繁多，要從性能、成本和可靠性等方面選擇一款合適的產品，尤其是對于那些不熟悉相關技術的人來說，可能是一件令人望而生畏的事情。

在這里，您將了解到兩種最常見調制器技術的基本工作原理。您將獲得如何理解產品規格的明確指導，并學會識別適合您特定需求的產品。

快速激光調制的必要性

自激光誕生之初，光束強度必須快速變化或調制的應用就已經出現。對調制應用進行分類的一種方法是根據這一過程發生在系統的哪個位置。具體來說，調制可以發生在激光腔內（腔內），也可以發生在激光腔外光學系統中的某處（腔外）。

腔內調制的例子包括 Q 開關、鎖模和腔倒空。在這種情況下，調制器打開和關閉光束，使存儲的增益（功率）迅速釋放。與激光器外部的調制器相比，這種方法產生的激光輸出峰值功率高得多，脈寬也短得多。利用這種方法，平均功率為幾瓦的鎖模激光器可以通過將脈寬限制在幾飛秒來接近太瓦的峰值脈沖功率。

腔外調制器本質上只是開關，可以打開或關閉光束，或改變光束強度。但這些并不會影響激光本身的特性。其應用范圍從工業材料加工、共焦顯微鏡和多光子顯微鏡中的科學用途，到眼科手術等醫療應用。調制器還可用于脈沖選取。在這種情況下，調制器從快速脈沖流中挑選出單脈沖或脈沖串進行后續放大。脈沖拾取可用于科學和工業超快激光系統。

調制器技術

早期的激光調制嘗試基于機械或電子機械方法，例如快門或快速傾斜振鏡，但這些方法在許多應用中速度根本不夠快。因此，最終開發出了兩種截然不同的快速調制器技術：電光調制器（EOM）和聲光調制器（AOM）。

電光調制器（通常稱為普克爾盒）以晶體為基礎，可根據外加的電信號旋轉輸入線性偏振激光的偏振面。當晶體的輸出端與固定線性偏振片相結合時，就會產生激光光束強度的調制。包括 BBO、KD*P 和 CdTe 在內的許多晶體都支持這種被稱為普克爾斯效應的電光效應。這些晶體可配置成多種不同的工作方式：如上所述的強度調制器，或可變偏振旋轉器。

在 EOM 中，外加電壓可旋轉入射光的偏振。偏振器可通過或阻擋光束，從而調節光強。

AOM 實際上是一個可變光束偏轉裝置。它將一個壓電換能器粘接在透明材料（如各種玻璃、石英、TeO2和 Ge）的一側。當以無線電頻率驅動時，壓電換能器會在晶體內產生聲（或聲波）波，從而使材料折射率產生移動的周期性變化。這就像材料中的布拉格衍射光柵一樣，使輸入設備的激光束以適當的角度發生偏轉。根據不同的配置，多達 90% 的入射功率可被導入布拉格光柵的一階。在大多數應用中，一階光束會通過一個孔，阻擋未偏轉（0 階）光束。通過改變應用的射頻信號可實現調制。也可以將 AOM 配置為通過未偏折光束。這樣可以提供更大的總功率。但對比度（消光）或調制深度較低，因為該光束中總會有一些剩余功率。

在 AOM 中，壓電換能器在材料中產生布拉格光柵。光圈只允許衍射光束通過。

技術比對

對于大多數應用而言，在 EOM 和 AOM 之間做出選擇時，要考慮幾個關鍵的性能和成本因素。由于 AOM 通常成本較低，除非應用對 EOM 的某項關鍵優勢有迫切需求，否則應首先選擇 AOM。與 AOM 相比，EOM 具有更大的光圈、高功率和脈沖能量兼容性、極高的對比度和快速的上升時間。相反，AOM 的調制速度要高得多。下表總結了一些最重要的參數及其典型值。

速度/上升時間

調制器的時間性能由兩個完全不同的參數決定：上升時間和調制頻率。上升時間是指器件從關閉狀態過渡到打開狀態所需的時間。通常的慣例是指定從 10% 開啟狀態到 90% 開啟狀態的上升時間。EOM 本身速度很快，上升時間小于 1 ns。一旦施加電場，器件狀態就會切換。AOM 的上升時間通常較慢。這是因為換能器開始振動和聲波完全通過晶體傳播都需要時間。因此，上升時間與尺寸（孔徑）有關；從亞毫米孔徑的 10-20ns到大于 2 mm孔徑的 >100 ns不等。

調制頻率

另一個參數是調制速度或調制頻率--重復開關的速度。AOM 在模擬和數字模式下都可以輕松地以高達幾十兆赫的速率運行。然而，EOM 的調制速度通常較慢，而且經常受到驅動器速度的限制。具體來說，這是因為產生 90° 偏振旋轉需要相當大的電壓（千伏）。由于難以快速切換如此高的電壓，EOM 應用基本上是以反向模式運行--將高電壓降至地，以獲得最快的上升時間。如今，G&H 的 EOM 驅動器采用高速數字控制器和精確匹配的模擬阻抗，可在兩種工作模式下快速運行。我們的大多數 EOM 工作頻率可達幾十 kHz。我們的 Chiron 系列普克爾盒產品經過優化，可在較低的電壓下工作，因此頻率可達 1 MHz。

孔徑/光束尺寸

調制器的孔徑是其可容納的最大光束直徑。通常情況下，G&H 建議使用孔徑為光束直徑三倍（1/e2）的調制器（1% 功率點），以避免光束削波。大多數商用可見光激光器的輸出光束直徑都小于 2 mm，腔體內的光束腰甚至可以更小。因此，大多數 G&H AOM 的孔徑都小于 2.5 mm。這使它們能夠支持短上升時間和高調制頻率。

調制器上升時間和調制周期的定義

我們還為光纖耦合聲光調制器提供較小孔徑的器件，以及與紅外激光器（如 CO2）配合使用的較大孔徑器件，后者通常具有較大的光束直徑，通常可以承受較慢的上升時間。這里的上升時間以 ns/mm 孔徑為單位。相比之下，EOM 的孔徑要大得多，標準型號的直徑從 2.5 mm到 100 mm不等，甚至更大。雖然增大孔徑對上升時間的影響不大，但直徑更大的 EOM 成本更高。我們最新推出的基于 KD*P 的 TX 系列 EOM 甚至可以提供高達 100 mm的孔徑。這些產品可用于太瓦級和千萬瓦級激光器的調Q。

成本

AOM 的成本一般低于 EOM。造成這種情況有幾個因素。首先，EOM 使用的材料（如 BBO）本身就比 AOM（如石英）昂貴。隨著光圈尺寸的增大，這種成本差異會更加明顯。此外，EOM 驅動的成本也高于 AOM 驅動，因為高電壓切換是一項挑戰。因此，為了最大限度地降低 EOM 的總體成本，必須根據應用仔細匹配 EOM 光圈。這也是 G&H 提供標準和定制 EOM 的主要原因。

插入損耗/傳輸效率

EOM 的損耗最低，主要來自晶體本身的吸收。EOM 的傳輸效率通常大于 98%，定制器件的傳輸效率甚至更高。AOM 的總體傳輸效率較低，這是由衍射過程本身的有限效率決定的。當配置為使用一階衍射光束時，插入損耗是光傳輸和衍射效率的組合。一階光束的透射率可接近輸入強度的 90%。

對比度/消光

對比度或消光的定義是打開狀態和關閉狀態之間的傳輸強度比。在某些應用中，這一點相當重要，但在其他應用中，如模式鎖定，這一點就不那么重要了。EOM 的對比度通常高于 AOM。幾種 G&H EOM 的消光比大于 3500:1，而 AOM 的一階光束典型值為 1000:1。

功率、能量處理/損壞閾值

與 AOM 相比，EOM 通常可以承受更高功率的光束和更高的脈沖能量。原因有二。最重要的是，EOM 的孔徑要大得多。擴大激光光束可降低其功率密度，從而使調制器具有更高的功率/脈沖能量。另一個因素是插入損耗和效率；AOM 需要比 EOM 消耗更多的損耗功率。對于使用 AOM 的高功率應用，如基于 CO2 激光器的極紫外光刻光源，G&H 提供水冷卻。這可以使調制器安全地耗散功率，并提高損壞閾值。

一些實際考慮因素

對于任何調制應用，尤其是 OEM 用途，關鍵指標通常是性能和可靠性（即使用壽命）。對于這兩種類型的調制器，影響這些指標的因素各不相同。對于 EOM 而言，光學晶體的質量至關重要，這也是 G&H 公司幾乎在內部生產所有 EOM 材料的原因。這些晶體必須經過生長和篩選，以避免出現夾雜物和 “面紗 ”等光學缺陷。最大限度地提高光學均勻性，從而最大限度地減少波面畸變是非常重要的，因為這既影響傳輸光束的光束質量（波面），也影響內在對比度，尤其是在較大孔徑的設備中。隨后應用于晶體上的抗反射 (AR) 涂層的質量對于最大限度地減少插入損耗非常重要。

由于開關電壓較高，EOM 晶體還必須經過高電阻率篩選。電阻率過低會導致不可接受的電流流動、晶體過度發熱，甚至 “過弧 ”和災難性開裂。電源測試和預燒也很重要。這不僅是為了確保電源本身的使用壽命，也是為了延長 EOM 的使用壽命。對于 AOM 來說，晶體/玻璃的光學質量也很重要，尤其是透射波面（即光束質量），這也是我們在 G&H 生產包括 TeO2 在內的大部分材料的原因。對于原始器件制造商的應用，這可以保證大批量生產時質量和性能的一致性。主要的非光學挑戰是致動器和光學晶體之間的界面，因為必須通過該界面傳遞強烈的振動，以及由此產生的熱量。毫不奇怪，這一關鍵界面上的分層往往是導致 AOM 早期失效的主要因素。因此，G&H 公司完全避免使用粘合劑和其他粘接劑，因為它們通常會限制產品的使用壽命。相反，G&H 采用了專有的共價鍵合工藝，使致動器和晶體直接鍵合。這種獨特的方法是 G&H AOM 具有長壽命和寬（射頻）帶寬特點的關鍵所在。

典型應用領域

聲光調制AOM

鍺聲光調制器

• 高重復率超快激光器中的腔內調Q。

• 用于微材料和半導體加工、切割、焊接和標記的材料加工系統依賴于 AOM 的高速。

• 半導體檢測也需要高速度。我們的 AOM 具有卓越的紫外性能和光束質量，這一點非常重要。

• 超快激光系統中的脈沖拾取需要 MHz 的速度。用于這種應用的器件經過優化，具有快速上升時間和低色散特性，可最大限度地減少脈沖展寬。

• AOM 的醫療應用，從成像到治療。除速度外，其他關鍵考慮因素還包括功率處理和可靠性。

• AOM 還可用于數據，利用衍射光束的射頻頻移的數據處理應用。G&H AOM 的電氣效率和低功耗是其主要優勢。

• 在共聚焦顯微鏡和其他圖像應用中用作快速偏轉器。
  

使用聲光器件的共聚焦顯微系統

電光調制EOM

基于 KD*P 的電光普克爾盒

• 高脈沖能量研究激光系統中的調Q——達到太瓦甚至千萬瓦級別。

• 軍用激光器（如用于測距）中的調Q，可靠性是首要考慮因素。

• Alexandrite激光器的調Q，包括醫療用途，如去除紋身。

• 使用多波長的顯微鏡成像應用，因為它們能夠完全關閉光束。

使用電光調制器或基于普克爾盒的激光調制去除紋身

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EOM 和 AOM 都是激光調制器，其工作原理截然不同，因此各自具有獨特的工作特性。武漢新特光電技術有限公司目前是G&H在中國的授權代理商，我們的產品經理很樂意與您討論您的具體要求，歡迎聯系羅經理（手機：18162698939，座機：027-51858939，郵箱：lql@SintecLaser.com）快速獲取產品選型和最新報價，并推薦最適合您特定需求的技術。