高速低半波电压铌酸锂电光削波器

作者：吴婧

封面|吴婧, 李清连, 张中正, 孙军, 张玲, 隋展, 许京军. 基于双晶匹配的低压铌酸锂电光削波器的研究[J]. 中国激光, 2022, 49(7): 0708001

【封面解读】 封面呈现了基于双晶匹配和行波电极结构设计的低半波电压体式铌酸锂（LN）电光削波器。该电光削波器包含一组正交偏振镜和两块完全相同的LN晶体。通过行波电极设计，扩展体式铌酸锂电光器件的调制带宽，可满足高速电光调制的应用需求；利用LN晶体最大的电光系数，并合理设计晶体的横纵比，可达到降低半波电压的目的。经电光削波器工作后，一束连续激光被调制成脉冲宽度为纳秒级的脉冲激光。

研究背景

电光削波器是一种基于晶体材料电光效应的调制器件，通过外加电场改变电光晶体的折射率，从而改变光通过晶体后的位相，配合正交偏振系统使用，可实现光强调制。电光削波器具有响应速度快、控制精度高等特点，在聚变用高功率激光器、激光通信、激光精细加工等方面有着广泛的应用。随着光电子科学与技术的飞速发展，电光调制器件朝着高速率、高带宽、大消光比、大功率、宽光谱、低功耗等方向发展。

目前，常见的电光调制器分为体式和波导式两种。传统体式电光调制器可应用于大功率激光系统，但其半波电压受晶体尺寸影响通常较高（在kV量级），调制带宽适中（通常为百MHz量级）；波导式电光调制器件的带宽较高（通常在GHz以上），但干涉的基本原理限制了其在大功率和宽谱光源中的应用。

大功率、宽光谱的高速脉冲调制应用，对电光削波器提出高消光比、低半波电压、宽透光波段、高温度稳定性、低成本等要求，器件的性能极大的依赖于电光晶体的性能。在少数可实用化的电光晶体中，LN晶体由于具有透光范围宽、电光系数大、工作温度范围宽、不潮解、易生长大尺寸光学级单晶、易加工等优势，是制备电光削波器的优选材料。

创新工作

南开大学弱光非线性光子学教育部重点实验室孙军教授课题组从大功率、宽光谱的高速脉冲调制应用需求入手，综合考虑晶体性能、电极结构等，设计并制备了一种应用于高速脉冲调制的低半波电压体式LN电光削波器，并对其光学质量、半波电压、消光比、削波性能等进行了测试与表征。

在结构设计方面，为弥补体式和波导式电光调制器件的不足，扩展体式电光调制器件的调制带宽，采用分布参数的平行板传输线电极构成了行波调制器结构（图1）。

图1 行波调制器结构

为降低器件的半波电压，需利用LN晶体较大的有效电光系数，并合理设计晶体的横纵比。在分析铌酸锂晶体的电光效应的基础上，采用沿晶体x轴方向通光、z轴方向加电的横向电光调制工作方式。由于沿晶体非光轴方向通光，存在自然双折射现象，需采用双晶匹配的方式消除影响，如图2所示。

图2 LN双晶匹配补偿自然双折射

根据器件的特性阻抗、消光比、通光孔径等设计晶体尺寸并加工，之后将晶体装配于弹性支架中，固定晶体的同时避免引入夹持应力。对装配后的器件进行检测，两匹配晶体光学均匀性高，匹配良好，动态消光比可达200:1。

理论计算器件的半波电压约为730 V（@1064 nm），外加直流电压测得的半波电压约为900 V，考虑到不同晶体的差异性和加工精度的差别，以及电光系数在高频和低频电场下测量值的差异，最终将脉冲幅值确定为800 V。

高压脉冲电源输出电信号的脉宽实测值为0.95 ns，幅值实测值为803 V，重复频率1 Hz。用LN电光削波器对1064 nm连续激光进行削波，获得了重复频率1 Hz、脉宽1.46 ns、上升沿约0.8 ns的脉冲输出，如图3所示。

图3 削波后的激光脉冲

总结与展望

课题组基于双晶匹配和行波电极结构工作原理，设计并制备了一种应用于高速脉冲调制的低半波电压体式LN电光削波器。

后续可通过对晶体切型及尺寸、电极结构的改良设计，进一步降低器件的半波电压，提高调制带宽，并通过对驱动高压脉冲信号参数（脉宽、重复频率）的设置，获得所需脉宽、重频的激光脉冲输出，满足对脉冲波形进行精密控制的各种应用需求。