Untersuchung des Extinktionsverhältnisses von doppelkristallinen elektrooptischen Güteschaltern (01)

1.Einführung

Laser mit hoher Spitzenleistung und schmaler Pulsbreite werden in Bereichen wie Laserbearbeitung, optoelektronischer Detektion, nichtlinearer Optik und Medizin weit verbreitet eingesetzt. Güteschalten ist eine primäre Methode zur Erzeugung gepulster Laser; unter den verschiedenen Techniken wird das elektrooptische Güteschalten in Kurzpuls-Lasersystemen aufgrund seiner hohen Schaltgeschwindigkeit, robusten Abschaltfähigkeit, aktiven Steuerbarkeit und der einfachen hochpräzisen Synchronisierbarkeit mit anderen Instrumenten umfassend eingesetzt.

Elektrooptische Kristalle (www.wisoptic.com)sind die entscheidenden Komponenten, die die Leistungsfähigkeit von elektrooptischen Q-Schaltern bestimmen. Derzeit gehören zu den elektrooptischen Kristallen, die praktische Anwendung gefunden haben, hauptsächlich Lithiumniobat (LiNbO₃, LN), Kaliumdideuteriumphosphat (KD₂PO₄, DKDP)…(www.wisoptic.com), und Rubidiumtitanylphosphat (RbTiOPO₄, RTP). Als uniaxiale Kristalle werden LN und DKDP typischerweise in elektrooptischen Q-Schaltern verwendet, wobei sich das Licht entlang der optischen Achse ausbreitet; diese Konfiguration ermöglicht zwar das Q-Switching mit einem einzigen Kristall, nutzt jedoch nicht den maximalen effektiven elektrooptischen Koeffizienten des Kristalls, was zu einer hohen Halbwellenspannung führt. Wenn sich das Licht entlang einer Nicht-optischen-Achsen-Richtung ausbreitet, kommt die natürliche Doppelbrechung ins Spiel – die ebenfalls stark temperaturabhängig ist; folglich muss ein Kristallpaar verwendet werden, um sowohl die natürliche Doppelbrechung als auch die temperaturabhängigen Effekte zu kompensieren. RTP, ein neuerer elektrooptischer Kristall, ist ein biaxialer Kristall, der ebenfalls eine gepaarte Konfiguration erfordert, um die natürliche Doppelbrechung zu kompensieren. Darüber hinaus ist Lithiumtantalat (LiTaO₃, LT) weist eine ähnliche Struktur wie LN auf und besitzt ausgezeichnete elektrooptische Eigenschaften. Seine Wachstumstechnologie ist gut etabliert, was die Herstellung großer, optisch hochwertiger Kristalle ermöglicht, und es weist eine Zerstörschwelle auf, die deutlich höher ist als die von LN. Da jedoch der elektrooptische Koeffizient (γ₂₂) von LT sehr klein ist (etwa 0,1 pm·V⁻¹), kann LT nicht wie ein LN-Güteschalter konfiguriert werden – wobei sich das Licht entlang der optischen Achse ausbreitet, während ein elektrisches Feld entlang der x-Achse angelegt wird. Wenn sich das Licht in andere Richtungen ausbreitet, muss ein Paar LT-Kristalle verwendet werden, um die natürliche Doppelbrechung zu kompensieren. Derzeit gibt es relativ wenige Berichte über die Verwendung von LT-Kristallen in elektrooptischen Güteschaltervorrichtungen.

Zusammenfassend gibt es aufgrund der durch Kristallzüchtungstechniken auferlegten Einschränkungen und der intrinsischen Eigenschaften der Kristalle selbst relativ wenige elektrooptische Kristalle, die für die praktische Anwendung geeignet sind. Obwohl die Verwendung einer Doppelkristallkonfiguration eine effektive Methode zur Entwicklung elektrooptischer Q-Schalter mit niedriger Halbwellenspannung darstellt, stellt dieser Ansatz strengere Anforderungen an die optische Qualität der Kristalle sowie an die Präzision ihrer Fertigung und Temperaturkontrolle.

Am Beispiel eines doppelkristallinen elektrooptischen LT-(Lithiumtantalat-)Q-Switchs untersucht diese Arbeit systematisch die Faktoren, die das Extinktionsverhältnis solcher Bauelemente beeinflussen. Sie legt die erforderlichen Spezifikationen für Parameter einschließlich der optischen Qualität der Kristalle, der Fertigungsparameter und der Genauigkeit der Temperaturregelung fest. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurden zwei doppelkristalline elektrooptische LT-Q-Switches unterschiedlicher Abmessungen mittels optischer Kaltbearbeitung – konkret durch ein simultanes (koplanäres) Polierverfahren – gefertigt. Abschließend wurden die Qualität der Doppelkristallpaarung und das Extinktionsverhältnis der Q-Switches bewertet.