Исследование коэффициента экстинкции двухкристальных электрооптических модуляторов добротности (01)

1. Введение

Лазеры с высокой пиковой мощностью и узкой длительностью импульса широко применяются в таких областях, как лазерная обработка, оптоэлектронное детектирование, нелинейная оптика и медицина. Модуляция добротности является основным методом генерации импульсных лазеров; среди различных методов электрооптическая модуляция добротности широко используется в системах короткоимпульсных лазеров благодаря высокой скорости переключения, надежной способности запирания, активной управляемости и простоте синхронизации с высокой точностью с другими приборами.

Электрооптические кристаллы (www.wisoptic.com) являются критически важными компонентами, определяющими характеристики электрооптических модуляторов добротности. В настоящее время к электрооптическим кристаллам, достигшим практического применения, относятся главным образом ниобат лития (LiNbO₃, LN), дидейтерофосфат калия (KD₂PO₄, DKDP) (www.wisoptic.com), и титанилфосфат рубидия (RbTiOPO₄, РТП). Будучи одноосными кристаллами, ниобат лития и дейтерированный дигидрофосфат калия обычно используются в электрооптических модуляторах добротности при распространении света вдоль оптической оси; хотя такая конфигурация позволяет осуществлять модуляцию добротности с использованием одного кристалла, она не позволяет использовать максимальный эффективный электрооптический коэффициент кристалла, что приводит к высокому полуволновому напряжению. Если свет распространяется вдоль направления, не совпадающего с оптической осью, вступает в игру естественное двулучепреломление, которое также сильно зависит от температуры; следовательно, необходимо использовать пару кристаллов для компенсации как естественного двулучепреломления, так и эффектов, вызванных температурой. РТП, электрооптический кристалл, появившийся сравнительно недавно, является двуосным кристаллом, который также требует парной конфигурации для компенсации естественного двулучепреломления. Кроме того, танталат лития (LiTaO₃, ТЛ) имеет схожую структуру с НЛ и обладает превосходными электрооптическими свойствами. Технология его выращивания хорошо отработана, что позволяет производить крупноразмерные кристаллы с высоким оптическим качеством, и он демонстрирует порог повреждения, значительно более высокий, чем у НЛ. Однако, поскольку электрооптический коэффициент (гамма₂₂) ТЛ очень мал (приблизительно 0,1 пм·В⁻¹), поэтому его нельзя выполнить подобно модулятору добротности на НЛ, где свет распространяется вдоль оптической оси, а электрическое поле прикладывается вдоль оси икс. Когда свет распространяется вдоль других направлений, необходимо использовать пару кристаллов ТЛ для компенсации естественного двулучепреломления. В настоящее время имеется относительно немного сообщений об использовании кристаллов ТЛ в электрооптических устройствах модуляции добротности.

В итоге, из-за ограничений, накладываемых технологиями выращивания кристаллов и собственными свойствами самих кристаллов, существует сравнительно немного электрооптических кристаллов, пригодных для практического применения. Хотя использование двухкристальной конфигурации является эффективным методом создания электрооптических модуляторов добротности с низким полуволновым напряжением, этот подход предъявляет более строгие требования к оптическому качеству кристаллов, а также к точности их изготовления и терморегулирования.

На примере двухкристального электрооптического модулятора добротности на танталате лития (LT) в данной работе систематически исследуются факторы, влияющие на коэффициент экстинкции таких устройств. Установлены необходимые требования к параметрам, включая оптическое качество кристаллов, технологические параметры изготовления и точность термостабилизации. На основе этих результатов с применением методов оптической холодной обработки — в частности, процесса одновременной (копланарной) полировки — были изготовлены два двухкристальных электрооптических модулятора добротности на LT различных размеров. В заключение была проведена оценка качества согласования двух кристаллов и коэффициента экстинкции модуляторов добротности.