声光Q开关的基本原理及产品介绍

联合光科

声光Q开关的基本原理及产品介绍

基本原理简介

声光Q开关工作在激光腔内，通过主动控制谐振腔的品质Q因子(损耗)来产生高强度的脉冲光。是利用声光效应设计和制作的一种声光调制器件。

通俗来讲，声光效应是指光通过一块受到超声波扰动的介质时发生衍射的现象，这种现象是光波与介质中声波相互作用的结果，其原理较传统平面光栅更为复杂、抽象。

为了方便用户更好的选择产品，我们首先简单回忆一些与声光Q开关相关的原理知识。

声光效应

各向同性的光学介质在不受声场作用时，光学性质是稳定的。但当它受到声波场（如超声波）作用时其光学性质就要发生改变。当超声波通过介质时，介质中各点会出现随时间和空间发生周期变化的弹性应变，进而导致介质中产生随时间和空间呈周期变化的弹光效应，如图1所示，使得介质中各点的折射率n也会产生响应的周期变化。

n0为无应变情况下的晶体折射率。

图1 超声波在介质中的传播示意图

因此，当光通过有超声波作用的介质时，相位就要受到调制，如同光通过一个衍射光栅，光栅的间距等于声波波长λs，光束通过这个光栅时就要发生衍射，这就是声光效应。由于声波是运动的，因此介质应视为以声速运动的声光栅，由于声速仅为光速的十万分之一，所以对于入射光斑来说，运动的声光栅可以认为是静止的，其光栅方程为

声光栅的光栅常数等于声波的波长λs，θ和θi分别为入射光和衍射光与光栅平面的夹角，m是衍射级次，是光波波长。

依据超声波频率的高低与声波和光波作用长度的不同，声光衍射现象可以分为拉曼-纳斯（Raman-Nath）衍射和布拉格（Bragg）衍射。

拉曼-纳斯衍射

拉曼-纳斯衍射产生于超声频率较低且声光相互作用长度较短的情况。光束通过声光介质只发生折射和少量的反射，仍可将出射光波看成是平面波；但声波通过声光介质时，根据声光效应原理，声光介质如同一块声光栅，由于声光相互作用长度较短，认为声子和光子只作用一次，因此可以将声光介质看做平面光栅，光通过时产生多级衍射，如图2所示，由衍射原理可知，各级衍射波最大值方向满足条件

在入射光两侧出现与m=0,±1,±2,......相关的一些衍射极大值。

图2 拉曼-纳斯衍射

关于衍射效率，我们知道第m级衍射光强为

其中，Ιi为入射光强，λi为入射光波长，Jm(∆φ)为m阶贝塞尔函数，L为声光作用长度；衍射效率为

可以看出衍射效率与超声场的作用有关，纳曼-纳斯衍射声光作用长度L很小，衍射效率较低。

​布拉格衍射

当声光作用长度L较大、超声波频率较高、而且光束与超声波波面以一定角度入射，光波在介质中要穿过几个声波面，可以认为声光介质具有体光栅的性质。根据体光栅的性质，超声波作用下的声光介质可以看做是间距为声波波长的一排排反射层，如图3所示，根据相邻波面衍射光的光程差等于光波波长整数倍的条件和光栅方程。

可得出布拉格衍射条件为：

由于声波为正弦波，声光介质折射率在空间分布也是正弦函数，因此，布拉格衍射条件应为：

表面出射波中只有唯一的一个峰（衍射极次m=+1或-1），这就是布拉格衍射波。

图3 布拉格衍射

关于布拉格衍射效率，布拉格衍射的零级和一级衍射光强为

其中Ιi为入射光强，δ为零级与一级衍射光之间的相位延迟，即光波通过超声场所产生的附加相位差。当δ=π时，I1=Ii，入射光的全部光能由于布拉格衍射全部转移到1级衍射上，这是比较理想的情况，此时，布拉格衍射效率可以达到100%。

而当入射波方向偏离布拉格衍射角θΒ时，入射波转换成衍射波的衍射效率将大大降低。

声光Q开关结构及工作原理简介

声光Q开关是利用声光效应以控制光腔损耗的Q开关技术。其基本结构如图4所示，主要由驱动电源、换能器、声光介质、吸声材料组成，另外还包括图中未显示的冷却单元。驱动电源工作时，产生高频的电信号；该高频电信号作用在换能器上，换能器将高频电信号转换为同频率的超声波；超声波作用于声光介质，使声光介质折射率发生周期性变化，对入射光起衍射作用。

图4 声光Q开关基本结构示意图

如图5所示，当声光调制开关工作时，入射光发生衍射偏离激光谐振腔，此时谐振腔处于高损耗，Q值下降，激光震荡不能形成。在泵浦源的作用下，上能级反转粒子数大量积累，当积累到最大值时突然关掉声光调Q开关，衍射效应立即消失, 腔内Q 值猛增, 激光振荡迅速恢复, 在极短的时间内反转粒子数被消耗，转换为腔内激光能量，从谐振腔输出端输出，获得脉冲极短，峰值功率很高的激光。

图5 声光Q开关工作原理示意图

声光Q开关产品介绍

联合光科推出了工作波长是1064nm，射频信号频率是27MHz、41 MHz、80 MHz的声光Q开关及声光Q开关驱动器。该系列声光Q开关产品结构紧凑、激光损伤阈值高、衍射效率高，与声光Q开关驱动器搭配使用可以应用到各种激光设备上对激光进行调制的领域，如，激光打标、激光切割、激光打孔等各类激光加工领域，以及教育科研、生命科学等相关领域。

工作频率27MHz声光Q开关具有光衍射损耗与入射光的偏振态无关的优点；工作频率为41 MHz、80 MHz的声光Q开关无需持续水冷却，且较小的驱动功率获取了较大的衍射损耗。

声光Q开关主要参数：