當(dāng)今市場上的激光光束調(diào)制器產(chǎn)品種類繁多，要從性能、成本和可靠性等方面選擇一款合適的產(chǎn)品，尤其是對于那些不熟悉相關(guān)技術(shù)的人來說，可能是一件令人望而生畏的事情。

在這里，您將了解到兩種最常見調(diào)制器技術(shù)的基本工作原理。您將獲得如何理解產(chǎn)品規(guī)格的明確指導(dǎo)，并學(xué)會(huì)識別適合您特定需求的產(chǎn)品。

快速激光調(diào)制的必要性

自激光誕生之初，光束強(qiáng)度必須快速變化或調(diào)制的應(yīng)用就已經(jīng)出現(xiàn)。對調(diào)制應(yīng)用進(jìn)行分類的一種方法是根據(jù)這一過程發(fā)生在系統(tǒng)的哪個(gè)位置。具體來說，調(diào)制可以發(fā)生在激光腔內(nèi)（腔內(nèi)），也可以發(fā)生在激光腔外光學(xué)系統(tǒng)中的某處（腔外）。

腔內(nèi)調(diào)制的例子包括 Q 開關(guān)、鎖模和腔倒空。在這種情況下，調(diào)制器打開和關(guān)閉光束，使存儲(chǔ)的增益（功率）迅速釋放。與激光器外部的調(diào)制器相比，這種方法產(chǎn)生的激光輸出峰值功率高得多，脈寬也短得多。利用這種方法，平均功率為幾瓦的鎖模激光器可以通過將脈寬限制在幾飛秒來接近太瓦的峰值脈沖功率。

腔外調(diào)制器本質(zhì)上只是開關(guān)，可以打開或關(guān)閉光束，或改變光束強(qiáng)度。但這些并不會(huì)影響激光本身的特性。其應(yīng)用范圍從工業(yè)材料加工、共焦顯微鏡和多光子顯微鏡中的科學(xué)用途，到眼科手術(shù)等醫(yī)療應(yīng)用。調(diào)制器還可用于脈沖選取。在這種情況下，調(diào)制器從快速脈沖流中挑選出單脈沖或脈沖串進(jìn)行后續(xù)放大。脈沖拾取可用于科學(xué)和工業(yè)超快激光系統(tǒng)。

調(diào)制器技術(shù)

早期的激光調(diào)制嘗試基于機(jī)械或電子機(jī)械方法，例如快門或快速傾斜振鏡，但這些方法在許多應(yīng)用中速度根本不夠快。因此，最終開發(fā)出了兩種截然不同的快速調(diào)制器技術(shù)：電光調(diào)制器（EOM）和聲光調(diào)制器（AOM）。

電光調(diào)制器（通常稱為普克爾盒）以晶體為基礎(chǔ)，可根據(jù)外加的電信號旋轉(zhuǎn)輸入線性偏振激光的偏振面。當(dāng)晶體的輸出端與固定線性偏振片相結(jié)合時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生激光光束強(qiáng)度的調(diào)制。包括 BBO、KD*P 和 CdTe 在內(nèi)的許多晶體都支持這種被稱為普克爾斯效應(yīng)的電光效應(yīng)。這些晶體可配置成多種不同的工作方式：如上所述的強(qiáng)度調(diào)制器，或可變偏振旋轉(zhuǎn)器。

在 EOM 中，外加電壓可旋轉(zhuǎn)入射光的偏振。偏振器可通過或阻擋光束，從而調(diào)節(jié)光強(qiáng)。

AOM 實(shí)際上是一個(gè)可變光束偏轉(zhuǎn)裝置。它將一個(gè)壓電換能器粘接在透明材料（如各種玻璃、石英、TeO2和 Ge）的一側(cè)。當(dāng)以無線電頻率驅(qū)動(dòng)時(shí)，壓電換能器會(huì)在晶體內(nèi)產(chǎn)生聲（或聲波）波，從而使材料折射率產(chǎn)生移動(dòng)的周期性變化。這就像材料中的布拉格衍射光柵一樣，使輸入設(shè)備的激光束以適當(dāng)?shù)慕嵌劝l(fā)生偏轉(zhuǎn)。根據(jù)不同的配置，多達(dá) 90% 的入射功率可被導(dǎo)入布拉格光柵的一階。在大多數(shù)應(yīng)用中，一階光束會(huì)通過一個(gè)孔，阻擋未偏轉(zhuǎn)（0 階）光束。通過改變應(yīng)用的射頻信號可實(shí)現(xiàn)調(diào)制。也可以將 AOM 配置為通過未偏折光束。這樣可以提供更大的總功率。但對比度（消光）或調(diào)制深度較低，因?yàn)樵摴馐锌倳?huì)有一些剩余功率。

在 AOM 中，壓電換能器在材料中產(chǎn)生布拉格光柵。光圈只允許衍射光束通過。

技術(shù)比對

對于大多數(shù)應(yīng)用而言，在 EOM 和 AOM 之間做出選擇時(shí)，要考慮幾個(gè)關(guān)鍵的性能和成本因素。由于 AOM 通常成本較低，除非應(yīng)用對 EOM 的某項(xiàng)關(guān)鍵優(yōu)勢有迫切需求，否則應(yīng)首先選擇 AOM。與 AOM 相比，EOM 具有更大的光圈、高功率和脈沖能量兼容性、極高的對比度和快速的上升時(shí)間。相反，AOM 的調(diào)制速度要高得多。下表總結(jié)了一些最重要的參數(shù)及其典型值。

速度/上升時(shí)間

調(diào)制器的時(shí)間性能由兩個(gè)完全不同的參數(shù)決定：上升時(shí)間和調(diào)制頻率。上升時(shí)間是指器件從關(guān)閉狀態(tài)過渡到打開狀態(tài)所需的時(shí)間。通常的慣例是指定從 10% 開啟狀態(tài)到 90% 開啟狀態(tài)的上升時(shí)間。EOM 本身速度很快，上升時(shí)間小于 1 ns。一旦施加電場，器件狀態(tài)就會(huì)切換。AOM 的上升時(shí)間通常較慢。這是因?yàn)閾Q能器開始振動(dòng)和聲波完全通過晶體傳播都需要時(shí)間。因此，上升時(shí)間與尺寸（孔徑）有關(guān)；從亞毫米孔徑的 10-20ns到大于 2 mm孔徑的 >100 ns不等。

調(diào)制頻率

另一個(gè)參數(shù)是調(diào)制速度或調(diào)制頻率--重復(fù)開關(guān)的速度。AOM 在模擬和數(shù)字模式下都可以輕松地以高達(dá)幾十兆赫的速率運(yùn)行。然而，EOM 的調(diào)制速度通常較慢，而且經(jīng)常受到驅(qū)動(dòng)器速度的限制。具體來說，這是因?yàn)楫a(chǎn)生 90° 偏振旋轉(zhuǎn)需要相當(dāng)大的電壓（千伏）。由于難以快速切換如此高的電壓，EOM 應(yīng)用基本上是以反向模式運(yùn)行--將高電壓降至地，以獲得最快的上升時(shí)間。如今，G&H 的 EOM 驅(qū)動(dòng)器采用高速數(shù)字控制器和精確匹配的模擬阻抗，可在兩種工作模式下快速運(yùn)行。我們的大多數(shù) EOM 工作頻率可達(dá)幾十 kHz。我們的 Chiron 系列普克爾盒產(chǎn)品經(jīng)過優(yōu)化，可在較低的電壓下工作，因此頻率可達(dá) 1 MHz。

孔徑/光束尺寸

調(diào)制器的孔徑是其可容納的最大光束直徑。通常情況下，G&H 建議使用孔徑為光束直徑三倍（1/e2）的調(diào)制器（1% 功率點(diǎn)），以避免光束削波。大多數(shù)商用可見光激光器的輸出光束直徑都小于 2 mm，腔體內(nèi)的光束腰甚至可以更小。因此，大多數(shù) G&H AOM 的孔徑都小于 2.5 mm。這使它們能夠支持短上升時(shí)間和高調(diào)制頻率。

調(diào)制器上升時(shí)間和調(diào)制周期的定義

我們還為光纖耦合聲光調(diào)制器提供較小孔徑的器件，以及與紅外激光器（如 CO2）配合使用的較大孔徑器件，后者通常具有較大的光束直徑，通?？梢猿惺茌^慢的上升時(shí)間。這里的上升時(shí)間以 ns/mm 孔徑為單位。相比之下，EOM 的孔徑要大得多，標(biāo)準(zhǔn)型號的直徑從 2.5 mm到 100 mm不等，甚至更大。雖然增大孔徑對上升時(shí)間的影響不大，但直徑更大的 EOM 成本更高。我們最新推出的基于 KD*P 的 TX 系列 EOM 甚至可以提供高達(dá) 100 mm的孔徑。這些產(chǎn)品可用于太瓦級和千萬瓦級激光器的調(diào)Q。

成本

AOM 的成本一般低于 EOM。造成這種情況有幾個(gè)因素。首先，EOM 使用的材料（如 BBO）本身就比 AOM（如石英）昂貴。隨著光圈尺寸的增大，這種成本差異會(huì)更加明顯。此外，EOM 驅(qū)動(dòng)的成本也高于 AOM 驅(qū)動(dòng)，因?yàn)楦唠妷呵袚Q是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。因此，為了最大限度地降低 EOM 的總體成本，必須根據(jù)應(yīng)用仔細(xì)匹配 EOM 光圈。這也是 G&H 提供標(biāo)準(zhǔn)和定制 EOM 的主要原因。

插入損耗/傳輸效率

EOM 的損耗最低，主要來自晶體本身的吸收。EOM 的傳輸效率通常大于 98%，定制器件的傳輸效率甚至更高。AOM 的總體傳輸效率較低，這是由衍射過程本身的有限效率決定的。當(dāng)配置為使用一階衍射光束時(shí)，插入損耗是光傳輸和衍射效率的組合。一階光束的透射率可接近輸入強(qiáng)度的 90%。

對比度/消光

對比度或消光的定義是打開狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)之間的傳輸強(qiáng)度比。在某些應(yīng)用中，這一點(diǎn)相當(dāng)重要，但在其他應(yīng)用中，如模式鎖定，這一點(diǎn)就不那么重要了。EOM 的對比度通常高于 AOM。幾種 G&H EOM 的消光比大于 3500:1，而 AOM 的一階光束典型值為 1000:1。

功率、能量處理/損壞閾值

與 AOM 相比，EOM 通常可以承受更高功率的光束和更高的脈沖能量。原因有二。最重要的是，EOM 的孔徑要大得多。擴(kuò)大激光光束可降低其功率密度，從而使調(diào)制器具有更高的功率/脈沖能量。另一個(gè)因素是插入損耗和效率；AOM 需要比 EOM 消耗更多的損耗功率。對于使用 AOM 的高功率應(yīng)用，如基于 CO2 激光器的極紫外光刻光源，G&H 提供水冷卻。這可以使調(diào)制器安全地耗散功率，并提高損壞閾值。

一些實(shí)際考慮因素

對于任何調(diào)制應(yīng)用，尤其是 OEM 用途，關(guān)鍵指標(biāo)通常是性能和可靠性（即使用壽命）。對于這兩種類型的調(diào)制器，影響這些指標(biāo)的因素各不相同。對于 EOM 而言，光學(xué)晶體的質(zhì)量至關(guān)重要，這也是 G&H 公司幾乎在內(nèi)部生產(chǎn)所有 EOM 材料的原因。這些晶體必須經(jīng)過生長和篩選，以避免出現(xiàn)夾雜物和 “面紗 ”等光學(xué)缺陷。最大限度地提高光學(xué)均勻性，從而最大限度地減少波面畸變是非常重要的，因?yàn)檫@既影響傳輸光束的光束質(zhì)量（波面），也影響內(nèi)在對比度，尤其是在較大孔徑的設(shè)備中。隨后應(yīng)用于晶體上的抗反射 (AR) 涂層的質(zhì)量對于最大限度地減少插入損耗非常重要。

由于開關(guān)電壓較高，EOM 晶體還必須經(jīng)過高電阻率篩選。電阻率過低會(huì)導(dǎo)致不可接受的電流流動(dòng)、晶體過度發(fā)熱，甚至 “過弧 ”和災(zāi)難性開裂。電源測試和預(yù)燒也很重要。這不僅是為了確保電源本身的使用壽命，也是為了延長 EOM 的使用壽命。對于 AOM 來說，晶體/玻璃的光學(xué)質(zhì)量也很重要，尤其是透射波面（即光束質(zhì)量），這也是我們在 G&H 生產(chǎn)包括 TeO2 在內(nèi)的大部分材料的原因。對于原始器件制造商的應(yīng)用，這可以保證大批量生產(chǎn)時(shí)質(zhì)量和性能的一致性。主要的非光學(xué)挑戰(zhàn)是致動(dòng)器和光學(xué)晶體之間的界面，因?yàn)楸仨毻ㄟ^該界面?zhèn)鬟f強(qiáng)烈的振動(dòng)，以及由此產(chǎn)生的熱量。毫不奇怪，這一關(guān)鍵界面上的分層往往是導(dǎo)致 AOM 早期失效的主要因素。因此，G&H 公司完全避免使用粘合劑和其他粘接劑，因?yàn)樗鼈兺ǔ?huì)限制產(chǎn)品的使用壽命。相反，G&H 采用了專有的共價(jià)鍵合工藝，使致動(dòng)器和晶體直接鍵合。這種獨(dú)特的方法是 G&H AOM 具有長壽命和寬（射頻）帶寬特點(diǎn)的關(guān)鍵所在。

典型應(yīng)用領(lǐng)域

聲光調(diào)制AOM

鍺聲光調(diào)制器

• 高重復(fù)率超快激光器中的腔內(nèi)調(diào)Q。

• 用于微材料和半導(dǎo)體加工、切割、焊接和標(biāo)記的材料加工系統(tǒng)依賴于 AOM 的高速。

• 半導(dǎo)體檢測也需要高速度。我們的 AOM 具有卓越的紫外性能和光束質(zhì)量，這一點(diǎn)非常重要。

• 超快激光系統(tǒng)中的脈沖拾取需要 MHz 的速度。用于這種應(yīng)用的器件經(jīng)過優(yōu)化，具有快速上升時(shí)間和低色散特性，可最大限度地減少脈沖展寬。

• AOM 的醫(yī)療應(yīng)用，從成像到治療。除速度外，其他關(guān)鍵考慮因素還包括功率處理和可靠性。

• AOM 還可用于數(shù)據(jù)，利用衍射光束的射頻頻移的數(shù)據(jù)處理應(yīng)用。G&H AOM 的電氣效率和低功耗是其主要優(yōu)勢。

• 在共聚焦顯微鏡和其他圖像應(yīng)用中用作快速偏轉(zhuǎn)器。
  

使用聲光器件的共聚焦顯微系統(tǒng)

電光調(diào)制EOM

基于 KD*P 的電光普克爾盒

• 高脈沖能量研究激光系統(tǒng)中的調(diào)Q——達(dá)到太瓦甚至千萬瓦級別。

• 軍用激光器（如用于測距）中的調(diào)Q，可靠性是首要考慮因素。

• Alexandrite激光器的調(diào)Q，包括醫(yī)療用途，如去除紋身。

• 使用多波長的顯微鏡成像應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兡軌蛲耆P(guān)閉光束。

使用電光調(diào)制器或基于普克爾盒的激光調(diào)制去除紋身

聯(lián)系我們

EOM 和 AOM 都是激光調(diào)制器，其工作原理截然不同，因此各自具有獨(dú)特的工作特性。武漢新特光電技術(shù)有限公司目前是G&H在中國的授權(quán)代理商，我們的產(chǎn)品經(jīng)理很樂意與您討論您的具體要求，歡迎聯(lián)系羅經(jīng)理（手機(jī)：18162698939，座機(jī)：027-51858939，郵箱：[email protected]）快速獲取產(chǎn)品選型和最新報(bào)價(jià)，并推薦最適合您特定需求的技術(shù)。