[发明专利]一种低电压驱动的电光开关

说明书

技术领域

本发明涉及一种能够在较低电压驱动下工作的电光开关，属于控制光通量的光学器件，可以应用于激光调Q、光通讯等领域。

背景技术

电光开关具有开关时间短、重复频率高、同步性能好、工作稳定等诸多优点，是目前应用最为广泛的一类光开关器件。电光开关的基本物理原理是利用材料的电光效应对光束进行调制。若电场方向平行于光传播方向，称为纵向电光调制；若电场方向垂直于光传播方向，称为横向电光调制。以LiNbO₃晶体的横向电光调制为例，将LiNbO₃晶体置于两正交偏振片之间，晶体x和y方向均与偏振片的偏振方向成45?，光沿着z方向（光轴方向）传播。若外加电场为E（0，E_y，0），则晶体的折射率椭球变为：

           （1）

通过旋转主轴消除交叉项yz，得到新坐标系下的折射率椭球方程为：

                          （2）

其中，新坐标系下的主折射率为：

                     （3）

由于光是沿着z方向传播的，它在x’和y’方向偏振分量的折射率分别为n_x’和n_y’，两个偏振分量之间的相位延迟为：

              （4）

其中，λ为激光波长，L为通光方向上的晶体长度，d为加电方向上的晶体厚度，V为外加电压。在（4）式中令，得到半波电压：

                            （5）

若取d＝9 mm，L＝25 mm，n_o＝2.3，γ₂₂＝3.4×10^-12 m/V，λ＝532 nm，计算得出V_π＝2.3 kV。可以看出，这种采用正交偏振片结构的电光开关具有一些难以克服的缺点，比如电光晶体的半波电压较高，通常使用的LiNbO₃、KDP的半波电压为2000~8000 V，这不仅会对周边的其他电子元器件造成干扰，对操作人员的人身安全也产生威胁，同时对电源和激光器的工作环境也提出了较为苛刻的要求。如果要降低加在电光晶体上的驱动电压，就要增加电光晶体的尺寸，但这又使激光器谐振腔的插入损耗变大，况且大尺寸的晶体也不易生长。另外，在外加强电场的作用下，晶体内部会产生机械应力，使晶体的折射率发生变化，即所谓的弹光效应。加在晶体上的电压越高，晶体内的应力越大，弹光效应就越明显。当晶体上的高压瞬时退除时，形变不会立即消除，导致晶体的电光调制存在一个渐变过程，使激光器的损耗衰减时间大于巨脉冲的建立时间，造成调Q开关输出性能的下降。以上因素都制约了电光开关重复频率的提高，从而在一定程度上限制了其应用范围。

发明内容

为了克服以往电光开关半波电压过高的缺点，本发明提供了一种低电压驱动的电光开关，能够在较低的驱动电压下工作，同时开关的响应速度也明显提高。

本发明的低电压驱动的电光开关，包括第一光学透明材料、第二光学透明材料和电光晶体，在第一光学透明材料表面设置反射率为R的第一反射膜层，在第二光学透明材料表面设置反射率为R的第二反射膜层。

本发明的低电压驱动的电光开关中的电光晶体为具有横向电光调制性能的长方体单轴晶体，电光晶体光轴方向为z方向，电光晶体沿z方向的几何尺寸L大于沿y方向的几何尺寸d，电光晶体上与光轴平行的两个xz平面镀有电极，电光晶体上与光轴垂直的两个xy平面设置入射光束波长的减反膜。

本发明的低电压驱动的电光开关，利用了法布里-珀罗标准具的透过率对光程差变化极其敏感的特性，将电光晶体放在法布里-珀罗腔内，通过调节晶体的电压，利用晶体的电光效应改变法布里-珀罗腔内的有效折射率，进而改变光束之间的光程差，引起入射光束透过率的变化，最终实现对透射光强的控制。