聲光Q開關的基本原理及產品介紹

       聲光Q開關工作在激光腔內，通過主動控制諧振腔的品質Q因子(損耗)來產生高強度的脈沖光。是利用聲光效應設計和制作的一種聲光調制器件。

       各向同性的光學介質在不受聲場作用時，光學性質是穩定的。但當它受到聲波場（如超聲波）作用時其光學性質就要發生改變。當超聲波通過介質時，介質中各點會出現隨時間和空間發生周期變化的彈性應變，進而導致介質中產生隨時間和空間呈周期變化的彈光效應，如圖1所示，使得介質中各點的折射率n也會產生響應的周期變化。

圖1 超聲波在介質中的傳播示意圖

       因此，當光通過有超聲波作用的介質時，相位就要受到調制，如同光通過一個衍射光柵，光柵的間距等于聲波波長λs，光束通過這個光柵時就要發生衍射，這就是聲光效應。由于聲波是運動的，因此介質應視為以聲速運動的聲光柵，由于聲速僅為光速的十萬分之一，所以對于入射光斑來說，運動的聲光柵可以認為是靜止的，其光柵方程為

       聲光柵的光柵常數等于聲波的波長λs，θ和θi分別為入射光和衍射光與光柵平面的夾角，m是衍射級次，是光波波長。

       依據超聲波頻率的高低與聲波和光波作用長度的不同，聲光衍射現象可以分為拉曼-納斯（Raman-Nath）衍射和布拉格（Bragg）衍射。

       拉曼-納斯衍射產生于超聲頻率較低且聲光相互作用長度較短的情況。光束通過聲光介質只發生折射和少量的反射，仍可將出射光波看成是平面波；但聲波通過聲光介質時，根據聲光效應原理，聲光介質如同一塊聲光柵，由于聲光相互作用長度較短，認為聲子和光子只作用一次，因此可以將聲光介質看做平面光柵，光通過時產生多級衍射，如圖2所示，由衍射原理可知，各級衍射波最大值方向滿足條件

       在入射光兩側出現與m=0,±1,±2,......相關的一些衍射極大值。

圖2 拉曼-納斯衍射

       可以看出衍射效率與超聲場的作用有關，納曼-納斯衍射聲光作用長度L很小，衍射效率較低。

       當聲光作用長度L較大、超聲波頻率較高、而且光束與超聲波波面以一定角度入射，光波在介質中要穿過幾個聲波面，可以認為聲光介質具有體光柵的性質。根據體光柵的性質，超聲波作用下的聲光介質可以看做是間距為聲波波長的一排排反射層，如圖3所示，根據相鄰波面衍射光的光程差等于光波波長整數倍的條件和光柵方程。

圖3 布拉格衍射

       其中Ιi為入射光強，δ為零級與一級衍射光之間的相位延遲，即光波通過超聲場所產生的附加相位差。當δ=π時，I1=Ii，入射光的全部光能由于布拉格衍射全部轉移到1級衍射上，這是比較理想的情況，此時，布拉格衍射效率可以達到100%。

       聲光Q開關是利用聲光效應以控制光腔損耗的Q開關技術。其基本結構如圖4所示，主要由驅動電源、換能器、聲光介質、吸聲材料組成，另外還包括圖中未顯示的冷卻單元。驅動電源工作時，產生高頻的電信號；該高頻電信號作用在換能器上，換能器將高頻電信號轉換為同頻率的超聲波；超聲波作用于聲光介質，使聲光介質折射率發生周期性變化，對入射光起衍射作用。

圖4 聲光Q開關基本結構示意圖

       如圖5所示，當聲光調制開關工作時，入射光發生衍射偏離激光諧振腔，此時諧振腔處于高損耗，Q值下降，激光震蕩不能形成。在泵浦源的作用下，上能級反轉粒子數大量積累，當積累到最大值時突然關掉聲光調Q開關，衍射效應立即消失, 腔內Q 值猛增, 激光振蕩迅速恢復, 在極短的時間內反轉粒子數被消耗，轉換為腔內激光能量，從諧振腔輸出端輸出，獲得脈沖極短，峰值功率很高的激光。

圖5 聲光Q開關工作原理示意圖

       聯合光科推出了工作波長是1064nm，射頻信號頻率是27MHz、41 MHz、80 MHz的聲光Q開關及聲光Q開關驅動器。該系列聲光Q開關產品結構緊湊、激光損傷閾值高、衍射效率高，與聲光Q開關驅動器搭配使用可以應用到各種激光設備上對激光進行調制的領域，如，激光打標、激光切割、激光打孔等各類激光加工領域，以及教育科研、生命科學等相關領域。

       工作頻率27MHz聲光Q開關具有光衍射損耗與入射光的偏振態無關的優點；工作頻率為41 MHz、80 MHz的聲光Q開關無需持續水冷卻，且較小的驅動功率獲取了較大的衍射損耗。