反射式等離子體電光開關的製作方法

2023-10-21 07:32:17 3

專利名稱：反射式等離子體電光開關的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於高平均功率雷射系統領域，具體涉及一種應用於高平均功率大口 徑雷射系統中的反射式等離子體電光開關。
背景技術：
在高平均功率雷射系統中用作調Q、雷射隔離和脈衝注入鎖定的關鍵單元電光開 關遇到了通光口徑限制與熱效應的雙重挑戰，使得電光開關成為高平均功率雷射器的限制 部件之一。常規縱向應用的環電極普克爾盒，為獲得較好的光學均勻性，要求其電光晶體縱 橫比大於1，通光口徑為數釐米的普克爾盒，其開關晶體將由於嚴重的光吸收導致晶體大的 溫升和溫度梯度，使折射率發生變化，引起透射光束的熱退偏和波前畸變。即便是可以定標 到大口徑、採用薄晶體的等離子體普克爾盒，由於電光晶體所處環境氣壓低，對流換熱係數 小，電光晶體對雷射的線性吸收將產生熱沉積，進一步導致應力雙折射、退偏、波前畸變等 不良熱效應，從而使得雷射器的平均輸出功率受到限制、光束質量變差，也只能用於單發次 工作模式。需要從根本上消除熱效應。利弗莫爾國家實驗室A. Bayramian於2006年在一 篇名為《步頁率轉換與開關技術》(《Frequency conversion and switching technologies》， A. Bayramian, C. Bibeau, and J. Caird et al. UCRL-PRESS-222125，2006)的年報中提出在 KD*P晶體入射面和出射面上分別貼上藍寶石，利用藍寶石大的熱傳導係數，帶走晶體中廢 熱。但由於藍寶石的分壓作用，勢必導致等離子體電光開關驅動電壓的增加。如果兩塊藍 寶石厚度等於KD*P晶體厚度，則為使KD*P上分壓等於半波電壓，驅動電源需要提供高達 SOkV的電壓，這將導致重複頻率高電壓驅動源的研製難度，同時造價昂貴且結構複雜。另 外，換熱過程中熱量沿橫向傳遞，使得電光晶體內存在較大的橫向溫度梯度，而溫度梯度是 導致普克爾盒熱效應的直接原因。
發明內容為了突破關鍵單元電光開關在高平均功率雷射系統中所遇到的通光口徑限制與 熱效應的雙重挑戰，本實用新型提供一種反射式等離子體電光開關。本實用新型通過反射式設計，利用銅基反射鏡對電光晶體進行端面強制冷卻管理 熱效應，並採用等離子體電極技術將電光開關定標到大口徑。一種反射式等離子體電光開關，包括普克爾盒和一個用於起偏和檢偏的偏振片； 其中普克爾盒含有普克爾盒殼體、KD*P晶體、光窗、放電腔、錐形放電針、電極環、電極座、抽 氣進氣嘴、底座。所述的電光開關的普克爾盒中還含有銅基反射鏡。所述的普克爾盒的連 接關係是，普克爾盒殼體中部設置有用於鑲嵌KD*P晶體的方孔。KD*P晶體粘接鑲嵌在普 克爾盒殼體中的方孔內，KD*P晶體的兩個面上分別設置有銅基反射鏡和放電腔，銅基反射 鏡與KD*P晶體緊貼設置。在放電腔外設置有光窗。放電腔內設置有電極環，電極環通過螺 紋與錐形放電針連接。電極座固定粘接在普克爾盒殼體上，電極座的內端與電極環連接，電 極座的外端與脈衝發生器負載電阻高壓端連接。在普克爾盒殼體上設置有進氣抽氣嘴，進氣抽氣嘴與放電腔連通；普克爾盒通過支杆固定設置在底座上。普克爾盒中的銅基反射鏡 與外接脈衝發生器負載電阻低壓端連接並接地。所述的偏振片設置在普克爾盒的光窗的前 部，偏振片的橫向中心與普克爾盒橫向中心為同軸心。所述的普克爾盒中銅基反射鏡與普克爾盒殼體之間、光窗與普克爾盒殼體之間、 KD*P晶體與普克爾盒殼體之間均採用矽膠進行真空封接。所述的普克爾盒中放電腔內部充有3000Pa 4500Pa的He氣，放電腔通過進氣抽
氣嘴靜態封離。目前能夠生長出的大尺度電光晶體有KDP和KD*P，KD*P的吸收係數大約是KDP吸 收係數的十分之一，因此KD*P成為製造較大口徑平均功率普克爾盒的首選電光晶體。本實 用新型利用KD*P的縱向電光效應，採用等離子體和銅基組合電極施加開關脈衝。氣體放電 所形成的等離子體具有光學透明高電導率特點，是施加大口徑高對比度普克爾盒縱向激勵 電場的理想電極。銅具有優良的導電、導熱、以及機械加工性能，在本實用新型中銅基反射 鏡同時集電極、熱沉於一身。反射式等離子體電光開關使得電光晶體的一個端面從低氣壓 環境中解放出來，利用大熱導率的銅端面冷卻電光晶體。這種冷卻結構熱量傳遞路徑短，冷 卻效率高，同時縱向冷卻避免了橫向冷卻方法由卡路裡加熱引起的橫向溫度梯度，從而可 以實現普克爾盒的高效熱管理。在反射式等離子體電光開關中，銅沉對開關晶體的冷卻效 果關鍵在於二者之間的機械接觸程度。為了減小接觸熱阻，將開關中的晶體與銅基反射鏡 緊貼，在接觸面外圍塗密封膠，然後放入真空室抽真空到幾百帕，以減小銅基反射鏡和開關 中的晶體之間空氣填充率，增大二者之間接觸面積，降低接觸熱阻。另外，抽真空可以極大 地降低開關晶體兩側的氣壓載荷，使環境大氣壓加載在銅基底上。否則，等離子體普克爾盒 放電室抽真空時，很有可能破環開關晶體。在本實用新型中，普克爾盒和偏振片組合應用實現對入射雷射的開關功能。靜態 時，平行於偏振片起偏方向的線偏振光，依次垂直透射偏振片、窗口、電光晶體，然後入射激 光被銅基反射鏡反射沿原光路返回。動態時，在雷射到來之前，在銅電極和放電腔之間施加 開關脈衝，首先放電腔內惰性氣體被擊穿形成全口徑內均勻高電導率的等離子體，然後通 過銅電極和等離子體電極開關脈衝電壓加載在電光晶體上。入射雷射透過極化的晶體後 線偏光偏振方向轉過45°，經反射鏡反射後再次通過極化的晶體偏振方向再次旋轉45°。 雷射到達偏振片時，偏振態垂直於偏振片，被偏振片反射出腔外。這樣在實現電光開關功能 的同時使得高效熱管理成為可能。本實用新型的反射式等離子體電光開關具有口徑大、驅動電壓低、光吸收小、成本 低、易於熱管理等特點，可以用於大口徑高平均功率雷射系統的調Q、隔離和脈衝註定鎖定。

圖1為本實用新型的反射式等離子體電光開關中的普克爾盒的側面結構示意圖。圖2為本實用新型的反射式等離子體電光開關中的普克爾盒的正面結構示意圖。圖3為本實用新型中的電極環與錐形電極針結構示意圖圖4為本實用新型中的反射式等離子體電光開關性能測試時獲得的斬波波形。圖1中1.殼體 2.KD*P晶體 3.光窗 4.銅基反射鏡 5.電極座 6.抽氣進氣嘴 7.放電腔 8.支杆 9.底座 10.錐形放電針 11.電極環具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步說明。本實用新型的反射式等離子體電光開關可以定標到大口徑，同時易於實現高效熱 管理，從而解決了高平均功率大口徑雷射系統中關鍵單元電光開關所遇到的口徑限制和熱 效應雙重難題。圖1 3中，一種反射式等離子體電光開關，包括普克爾盒和一個用於起偏和檢偏 的偏振片；其中普克爾盒含有普克爾盒殼體1、KD*P晶體2、光窗3、放電腔7、錐形放電針 10、電極環11、電極座5、抽氣進氣嘴6、底座9。所述的電光開關的普克爾盒中還含有銅基 反射鏡4。所述的普克爾盒的連接關係是，普克爾盒殼體1中部設置有用於鑲嵌KD*P晶體 的方孔。KD*P晶體2粘接鑲嵌在普克爾盒殼體1中的方孔內，KD*P晶體2的兩個面上分別 設置有銅基反射鏡4和放電腔7，銅基反射鏡4與KD*P晶體緊貼設置。在放電腔7外設置 有光窗3。放電腔7內設置有電極環11，電極環11通過螺紋與錐形放電針10連接。電極 座5固定粘接在普克爾盒殼體1上，電極座5的內端與電極環11連接，電極座5的外端與 脈衝發生器負載電阻高壓端連接。在普克爾盒殼體1上設置有進氣抽氣嘴6，進氣抽氣嘴6 與放電腔7連通。普克爾盒通過支杆8固定設置在底座9上；普克爾盒中的銅基反射鏡4 與外接脈衝發生器負載電阻低壓端連接並接地。所述的偏振片設置在普克爾盒的光窗3的 前部，偏振片的橫向中心與普克爾盒橫向中心為同軸心。所述的普克爾盒中銅基反射鏡4與普克爾盒殼體1之間、光窗3與普克爾盒殼體 1之間、KD*P晶體2與普克爾盒殼體1之間均採用矽膠進行真空封接。所述的普克爾盒中放電腔7內部充有3000Pa 4500Pa的He氣，放電腔7通過進 氣抽氣嘴6靜態封離。若干個錐形放電針10均勻地固定在電極環11內側，錐形放電針採用逸出功較低 的鈰鎢合金材料製成。本實用新型反射式等離子體電光開關的工作過程如下普克爾盒和偏振片組合應 用實現對入射雷射的開關功能。靜態時，平行於偏振片起偏方向的線偏振光，依次垂直透射 偏振片、光窗3、KD*P晶體2，然後入射雷射被銅基反射鏡4反射沿原光路返回。動態時，在 雷射到來之前，在銅基反射鏡4和放電腔7之間施加開關脈衝，首先放電腔內惰性氣體被擊 穿形成全口徑內均勻高電導率的等離子體，然後通過銅電極和等離子體電極開關脈衝電壓 加載在電光晶體上。入射雷射透過極化的晶體後線偏光偏振方向轉過45°，經銅基反射鏡 4反射後再次通過極化的KD*P晶體2偏振方向再次旋轉45°。雷射到達偏振片時，偏振態 垂直於偏振片，被偏振片反射出腔外，從而實現開關功能。在高平均功率雷射系統中，由於對入射雷射的線性吸收，電光晶體內將產生熱沉 積。為控制熱效應，可採用風冷、微通道、熱管等冷卻技術對銅基反射鏡4進行強制冷卻，從 而將KD*P晶體2內熱量帶走。為了考察反射式等離子體普克爾盒電光開關性能，對靜態消光比、動態開關效率 進行了測試。普克爾盒全口徑內靜態消光比大於971 1。根據本實用新型的反射式等離 子體電光開關性能測試獲得的錐光幹涉效果可以看出，KD*P晶體裝校應力可忽略不計，對 反射式等離子體電光開關消光比影響不大。圖4為本實用新型中的反射式等離子體電光開關性能測試時獲得的斬波波形。上面曲線為反射式等離子體電光開關驅動電壓波形，下面 曲線為利用反射式等離子體電光開關獲得的連續光斬波波形。實驗測量得到本實用新型的 反射式等離子體電光開關動態開關效率大於99.5%。
權利要求一種反射式等離子體電光開關，包括普克爾盒和一個用於起偏和檢偏的偏振片；其中普克爾盒含有普克爾盒殼體(1)、KD*P晶體(2)、光窗(3)、放電腔(7)、錐形放電針(10)、電極環(11)、電極座(5)、抽氣進氣嘴(6)、底座(9)；其特徵在於所述的電光開關的普克爾盒中還含有銅基反射鏡(4)；所述的普克爾盒的連接關係是，普克爾盒殼體(1)中部設置有用於鑲嵌KD*P晶體的方孔；KD*P晶體(2)粘接鑲嵌在普克爾盒殼體(1)中的方孔內，KD*P晶體(2)的兩個面上分別設置有銅基反射鏡(4)和放電腔(7)，銅基反射鏡(4)與KD*P晶體緊貼設置；在放電腔(7)外設置有光窗(3)，放電腔(7)內設置有電極環(11)，電極環(11)通過螺紋與錐形放電針(10)連接；電極座(5)固定粘接在普克爾盒殼體(1)上，電極座(5)的內端與電極環(11)連接，電極座(5)的外端與脈衝發生器負載電阻高壓端連接；在普克爾盒殼體(1)上設置有進氣抽氣嘴(6)，進氣抽氣嘴(6)與放電腔(7)連通；普克爾盒通過支杆(8)固定設置在底座(9)上；普克爾盒中的銅基反射鏡(4)與外接脈衝發生器負載電阻低壓端連接並接地；所述的偏振片設置在普克爾盒的光窗(3)的前部，偏振片的橫向中心與普克爾盒橫向中心為同軸心。
2.根據權利要求1所述的反射式等離子體電光開關，其特徵在於所述的普克爾盒中 銅基反射鏡(4)與普克爾盒殼體(1)之間、光窗(3)與普克爾盒殼體(1)之間、KD*P晶體 (2)與普克爾盒殼體(1)之間均採用矽膠進行真空封接。
3.根據權利要求1所述的反射式等離子體電光開關，其特徵在於所述的普克爾盒中 放電腔⑵內部充有3000Pa 4500Pa的He氣，放電腔(7)通過進氣抽氣嘴(6)靜態封 罔ο
專利摘要本實用新型提供了一種反射式等離子體電光開關，所述的開關包括普克爾盒和一個用於起偏和檢偏的偏振片。在所述的電光開關的普克爾盒中KD*P晶體的兩個面上分別設置有銅基反射鏡和放電腔，銅基反射鏡與KD*P晶體緊貼設置，普克爾盒中的銅基反射鏡與外接脈衝發生器負載電阻低壓端連接並接地。所述的偏振片設置在普克爾盒的光窗的前部，偏振片的橫向中心與普克爾盒橫向中心為同軸心。本實用新型的反射式等離子體電光開關具有口徑大、驅動電壓低、光吸收小、成本低、易於熱管理等特點，可以用於大口徑高平均功率雷射系統的調Q、隔離和脈衝註定鎖定。
文檔編號G02F1/03GK201707514SQ20102000372
公開日2011年1月12日 申請日期2010年1月5日 優先權日2010年1月5日
發明者吳登生, 張君, 張雄軍, 田曉琳 申請人:中國工程物理研究院雷射聚變研究中心