激光器件国际同步发展趋势

1.声光调制器

当光波通过某一受到机械波扰动的介质时而发生的衍射现象称为声光效应。利用声光效应可以快速有效地控制入射激光的偏转方向、强度、频率、相位等参数，其在高速光场调控中应用广泛。

在激光加工和激光制造中，声光器件主要有三个用途：一是在激光谐振腔中用于调Q器件和锁模器件，用来产生巨脉冲；二是在激光输出后，用作脉冲的选择器；三是在激光输出后，用于并行加工的激光分光、激光扫描和激光偏转（开关）。声光调制器的核心参数说明如下。

●晶体材料：石英晶体（声速为5750 m/s）。

●超声模式：压缩波（纵波，声速更快，调制速率更高）。

●损伤阈值：石英材料具有良好的光学性能和抗损伤特性，因此在高功率激光器领域有着广泛的应用。

●偏振态：在激光器内部的声光调制器多数采用线偏振光设计，在腔外用的声光调制器可采用非线偏光设计。

●载波频率：超声场的频率。

●有效通光孔径：在使用中，光斑半径≈通光孔径/1.5。

●上升时间：晶体内部超声传输1 mm光斑所需要的时间，与开关速度有关。

●衍射角度：在空气中的0级与+1（-1）级衍射光的夹角。

●射频功率：超声注入的有效电功率。

●匹配阻抗：通常采用50Ω的阻抗匹配。

●驻波比：超声电功率注入声光器件内的比率，VSWR＜1.2。

1）用于产生巨脉冲的声光器件

用于产生巨脉冲的声光器件可以分为：声光调Q器件和声光锁模器件。研发及制造此类器件的国际代表性公司为英国G&H公司。用于固体激光器调Q声光器件如图3-1所示，其核心技术指标如下。

●声光介质：熔融石英。

●最大有效通光孔径：φ8 mm。

●工作波长：1064 nm。

●射频频率：24 MHz、17.12 MHz、40 MHz、68 MHz。

●射频注入功率：50 W对压缩声波模式。

●100 W对剪切声波模式。

图3-1　用于固体激光器调Q声光器件

用于CO2激光器调Q或调制的声光器件如图3-2所示，其核心技术指标如下。

●声光介质：锗（Ge）单晶。

●通光波长：9.4μm或10.6μm。

●最大光功率密度：＞15 W/mm2。

●镀膜表面反射率：＜0.2%每面。

●透过率：＞96.5%。

●射频频率：40.68 MHz。

●光学偏振态：线偏光。

●有效孔径：φ11.6 mm。

●声波模式：纵波。

图3-2　用于CO2气体激光器调Q或调制的声光器件

●上升时间（10%～90%）：120 ns/mm。

●分离角：69.5 mrad@9.4μm，78.4 mrad@10.6μm。

●衍射效率：≥90%。

●射频功率：最大120 W。

2）用于锁模的声光器件

用于锁模的声光器件如图3-3所示，其主要技术指标如下。

●声光介质：SiO2。

图3-3　用于锁模的声光器件

●声波模式：纵波。

●工作波长：1.06μm。

●静态透过率：99%。

●工作频率：80 MHz±150 kHz。

●有效通过孔径：φ3 mm。

●偏转角：14.2 mrad。

●射频功率：1.2 W。

3）用于激光脉冲选取的声光器件

锁模激光器输出的脉冲重复频率都在兆赫兹以上，脉冲的选取、Burst模式的实现、频率的降频等激光技术的实现大量使用高速的声光调制器，此类器件分为两类：光纤级的声光调制器和自由空间的声光调制器。

光纤级的声光调制器主要用在光纤超快激光器，其对标的技术指标如下。

●射频频率：350 MHz，300 MHz。

●开关的上升沿/下降沿：～7 ns。

●对比度：50 dB。

自由空间的声光调制器主要用在分离器件的固体超快激光器，其对标的技术指标如下。

●射频频率：80 MHz，100 MHz。

●开关的上升沿/下降沿：～30 ns。

●损伤阈值：＞1 GW/cm2。

目前英国G&H公司、法国AA公司可以提供此类器件。

4）高速声光偏转或扫描器件

如图3-4所示的高速声光扫描器件主要在工业激光应用中提高无惯性高速扫描，是目前扫描器件中速度最快的光学扫描器件。针对高损伤阈值的高速扫描器件。目前仅有英国G&H公司提供。工业界使用较多的是355 nm紫外激光扫描器和1064 nm红外激光扫描器。其主要技术指标如下。

图3-4　高速声光扫描器件

●声光介质：石英晶体。

●声波模式：纵波。

●中心频率：170 MHz。

●带宽：80 MHz。

●工作波长：355 nm。

●最小衍射效率：80%。

●全带宽驻波比：2∶1。

●射频功率：20 W。

●扫描角：4.9 mrad。

除英国G&H公司外，法国AA公司（https：//www.aaoptoelectronic.com/）在声光器件和射频驱动领域也具有雄厚的技术实力。其在高速低功耗的声光器件和高速高损伤阈值的声光器件领域均拥有核心的产品，包括光纤级及自由空间的各类调制器，其中线性偏振、自由空间的声光脉冲选择器相关技术参数如表3-1所示。

可靠稳定的声光器件驱动电源是法国AA公司的主要特色。且其配备有相关的同步射频控制系统，使声光调制器的调控能力更加多样化，如表3-2所示。(https://www.xing528.com)

表3-1　自由空间的声光脉冲选择器相关技术参数

表3-2　声光器件驱动器主要技术参数

2.电光调制器

当将电场按一定的方向加到某些晶体材料上面时，这些晶体材料内部的折射率会随着电场强度的变化而变化，这种现象就是晶体的电光效应。高功率脉冲激光器中的一大核心器件就是利用电光效应制成的高压普克尔盒，它可应用于脉冲选择器、调Q激光器及再生放大系统中。普克尔盒通常由一块或多块电光晶体构成。外置的普克尔盒驱动器可提供高压调制信号，从而实现对电光晶体折射率的控制。

普克尔盒中常用的电光晶体的特性如表3-3所示，可以看到不同晶体之间的优缺点区别十分明显。其中KDP及DKDP可以实现较大的通光孔径，但是由于存在严重的压电振铃效应，不能工作在较高的重复频率下，一般工作的最高重复频率为数千赫兹。BBO的压电振铃效应较弱，可以工作在数百千赫兹甚至兆赫兹。但BBO的半波电压较高，使用过程中对普克尔盒驱动器的要求也较高，与KDP及DKDP相比，目前BBO可实现的最大口径也受限。KTP与RTP工作电压较低，但它们需要采用双晶体的方式对初始双折射进行补偿，且由于光学均匀性一般，所以工作在较高的平均功率时其温度稳定性较差。综合来看，BBO的各项参数特性均较好，且透过率高，损伤阈值较高，因此在高平均功率固体激光器中应用较为广泛。而对于脉冲选择器，KTP与RTP的工作电压低，优势则更加明显。

表3-3　不同电光晶体的特性

如前所述，高功率普克尔盒组件包含了普克尔盒及普克尔盒驱动电源。大部分普克尔盒厂商可以同时提供普克尔盒和能满足基本需求的普克尔盒电源，这包括立陶宛EKSMA公司、英国Leysop公司以及德国D+G公司。还有仅提供普克尔盒驱动电源的厂商，其中技术最强的为德国Bergmann Messgeräte Entwicklung KG公司，该公司也是德国TRUMPF公司的供应商。下面将对这些公司主要产品的技术参数进行分析。

1）普克尔盒参数

立陶宛EKSMA公司（https：//eksmaoptics.com/）的普克尔盒采用的电光晶体有KTP、DKDP及BBO。其中KTP普克尔盒标准产品可提供的最大晶体口径为8 mm2，通光口径为7.5 mm2；DKDP普克尔盒可提供的最大晶体口径为20 mm2，通光口径为18 mm2；BBO普克尔盒可提供的最大晶体口径为8 mm2，通光口径为7.5 mm2。这些产品的具体技术参数如表3-4所示，产品实物图如图3-5所示，一般采用圆柱形封装结构。

表3-4　EKSMA公司电光普克尔盒产品技术参数

英国Leysop公司（http：//www.leysop.com/）主要提供RTP、DKDP及BBO普克尔盒。其中RTP普克尔盒最大晶体口径可达9 mm；DKDP普克尔盒可以提供的口径从8～25 mm，为了降低半波电压，有采用双晶结构的普克尔盒；BBO普克尔盒可提供的口径为2～12 mm，同时，基于水冷封装的普克尔盒可操作在大于500 W平均功率输出。这些产品的具体技术参数如表3-5所示，产品实物图如图3-6所示。

图3-5　EKSM A公司电光普克尔盒实物图

表3-5　Leysop公司电光普克尔盒产品技术参数

图3-6　Leysop公司电光普克尔盒实物图

德国D+G公司（https：//www.dausinger-giesen.de/）专门提供薄片激光器及其元器件，其中普克尔盒是超快薄片再生放大器的核心组件。该公司生产的普克尔盒均采用BBO晶体，封装结构上采用了水冷方式，适合高功率运转，可提供的晶体口径有6 mm、9 mm及12 mm，均有单晶体和双晶体的配置，同时提供对应的普克尔盒驱动器。对于不同晶体尺寸及单双晶配置，其提供的驱动器可实现的技术参数如表3-6所示，产品实物图如图3-7所示。

表3-6　D+G公司BBO普克尔盒技术参数

2）普克尔盒驱动器参数

图3-7　D+G公司电光普克尔盒实物图

对于普克尔盒驱动器，EKSMA公司的产品在市场上应用广泛，产品比较成熟，主要分为DPS/DPD、DPBX及DP-SP三个系列。DPS与DPD系列的主要区别是外置脉冲的触发方式不同，其中DPS采用单脉冲进行触发，DPD采用双脉冲进行触发。不同版本的驱动器专为不同高压、重复频率及脉冲上升/脉冲下降时间的变化而设计。这三个参数相互依赖：更高的电压意味着更长的脉冲上升/脉冲下降时间，限制更高的重复频率。实际中当处于突发模式状态下，若驱动器不超过指定平均功率，则在1 MHz或更高的重频下都可以运行。三个系列产品的主要参数如表3-7所示。需要说明的是，表3-7中最大操作电压和最大重复频率不是同时达到的。DP-SP系列的特点是可以实现较短的高压开启时间，在单脉冲选择应用中可以应用于60 MHz的重频。

表3-7　EKSMA公司不同型号普克尔盒驱动器的输出参数

续表

对于实际产品，可以输出的电压如表3-8所示。实现指标上，在7 kV时，可实现的最大重复频率为250 kHz；在1 MHz时，可实现的最大操作电压为3.8 kV。产品实物图如图3-8所示。

表3-8　EKSMA公司实际典型普克尔盒驱动器的输出参数

图3-8　EKSM A公司普克尔盒驱动器实物图

除了EKSMA公司以外，英国G&H公司（https：//gandh.com/）的HVR系列普克尔盒驱动器也可实现输出5 kV、200 kHz重复频率的高压，或7.5 kV、100 kHz重复频率的高压。美国的IPOptica公司（http：//www.inputoptica.com/）的PD-50-0250驱动器最高可输出5 kV、500 kHz重复频率的高压。

德国Bergmann Messgeräte Entwicklung KG公司（https：//www.bme-bergmann.de/）的普克尔盒驱动器是目前实现参数最高的，其驱动器最高可以工作在22 kV高压，具体产品可实现的输出电压、上升/下降时间以及重复频率的制约关系如表3-9所示，产品实物图如图3-9所示。

表3-9　Bergmann Messgeräte Entwicklung KG公司普克尔盒驱动器的输出参数

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图3-9　Bergmann Messgeräte Entwicklung KG公司普克尔盒驱动器实物图

3）国内普克尔盒生产商及其产品参数

国内普克尔盒生产商主要是福建福晶科技公司（https：//gb.castech.com/），其常规产品的技术参数如表3-10所示，实物如图3-10所示，可以提供单晶、双晶及三晶普克尔盒，通光口径范围为3～7 mm。该公司普克尔盒驱动器的参数如表3-11所示，工作电压最高为5 kV，重频最高为100 kHz（此时电压最高为4 kV）。除此以外，济南快谱光电可提供工作电压4 kV，重频200 kHz的普克尔盒驱动器。

表3-10　福晶科技BBO普克尔盒参数

图3-10　福晶科技生产的普克尔盒和驱动器实物图

表3-11　福晶科技普克尔盒驱动器参数

综上所述，目前在BBO普克尔盒上，国外的普克尔盒晶体最大口径可达12 mm2，封装结构上也有采用水冷封装结构，国内的普克尔盒晶体最大口径则一般为8 mm2以下，并多采用普通的无冷却的圆柱体封装结构。在普克尔盒驱动器上，以4 kV高压为标准，Bergmann Messgeräte Entwicklung KG公司的高压电源重复频率可达2 MHz，而国内产品的目前仅能达到约200 kHz，因此这方面的差距较大。

3.空间光调制器

空间光调制器（spatial light modulator，SLM）是一类能将信息加载于一维或二维的光场上，以便有效地利用光的固有速度、并行性和互联能力的器件。这类器件可在随时间变化的电驱动信号或其他信号的控制下，改变空间上光分布的振幅、相位、波长和偏振态，或者把非相干光转化成相干光，被广泛应用于光学/数字混合相关、自动模式识别等系统的光电实时接口、阈值开关、输出显示等领域。

空间光调制器由许多独立单元构成，这些单元在空间分布成一维或二维阵列，每个单元都可以独立地被光信号或电信号控制，并且按照调制信号改变自身的光学特性，从而对照在其上的光波进行调制。空间光调制器分为光寻址和电寻址两大类。目前，关于光寻址空间光调制器的研究主要集中在科研领域，如南京大学、上海交通大学、国防科学技术大学都在做这方面的研究，市场上产品则很少，且价格昂贵。主流的空间光调制器的产品主要集中在电寻址类。

在目前的工业和科研应用中，空间形变SLM和液晶SLM两类产品商品化程度高，应用场景广泛。空间形变SLM是在光波传输面上，通过器件单元位移或倾转改变光波的传播距离（光程差）或角度来实现对输入光的控制的。这类器件包括利用电控压电陶瓷PZT、MEMS、磁控形变器件等实现的变形镜、DMD器件等。另一类重要的SLM是液晶空间光调制器（liquid crystal spatial light modulator，LC-SLM），其原理为利用液晶的电光效应实现对光波强度、相位及偏振态的变换。

（1）美国TI公司（空间形变SLM）。

美国TI公司的DMD芯片是一种典型的商品化空间光调制器。该芯片由m×n个微镜阵列构成，每个微镜相当于一个单元反射镜，可以极快地上下翻转，使得每个单元上的光束出射角度不同，从而改变整个光束的空间特性分布。

在过去，DMD主要应用于显示成像领域。目前，TI公司越来越重视传统显示成像之外的光学控制市场，在光刻、红外、结构光照明等领域正快速部署新的产品模块，因此，其以DMD为代表的空间光调制器应用及研究将会涌现很多成果。DMD-SLM未来会朝着模块化、小型化和专有化方向发展。

表3-12所示为TI公司的产品参数，其DMD芯片最大尺寸可达0.9英寸（1英寸=2.54 cm），最高分辨率可以做到3840×2160，最小微镜间距为5.4μm。

表3-12　TI公司的产品列表（DMD产品参数）

（2）法国ALPAO公司（空间形变SLM）。

法国ALPAO公司是变形镜领域的著名厂商，拥有超过13年的从业经验，旨在通过消除像差来彻底改变光学。自2008年以来，该公司设计和制造用于研究和工业的全系列自适应光学产品。ALPAO公司主营可变形反射镜、波前传感器和适合用户应用的软件。产品应用领域包括天文学、眼科、显微镜、无线光通信和激光应用等。法国ALPAO公司的变形镜采用的是磁控形变驱动。

ALPAO公司生产的变形镜最大可支持PV=90μm的变形量，响应时间小于400μs，平面时的面型小于7 nm RMS，激光损伤阈值为880 mJ/cm2（@12 ns，10 Hz，1064 nm）。

（3）日本滨松公司（液晶SLM）。

日本滨松公司生产的空间光调制器是采用硅基液晶（liquid crystal on silicon，LCOS）芯片来调节光波前的振幅或相位的光学器件。LCOS芯片是由液晶像元组成的像素阵列，每个像素都能单独地调制光。对于同一束光来说，像元的尺寸越小，调制得就越精细；像素的个数就是芯片的分辨率，分辨率越高，可调制的自由度就越高。滨松公司可提供高性能、多系列的空间光调制器产品。

滨松公司的LCOS-SLM产品特点在于能承受较高的激光功率密度。由表3-13可见，对于工业常用的激光波段，其器件反射率均能达到97%。

表3-13　滨松公司器件对工业常用激光波段的利用效率

续表

表3-14所示的是滨松公司SLM产品的损伤测试结果。在外接水冷的情况下，其液晶能承受的平均激光功率为200 W/cm2。

表3-14　滨松公司SLM产品的损伤测试结果