專(zhuān)利名稱(chēng)：反射式等離子體電光開(kāi)關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于高平均功率激光系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于高平均功率大口 徑激光系統(tǒng)中的反射式等離子體電光開(kāi)關(guān)。
背景技術(shù)：
在高平均功率激光系統(tǒng)中用作調(diào)Q、激光隔離和脈沖注入鎖定的關(guān)鍵單元電光開(kāi) 關(guān)遇到了通光口徑限制與熱效應(yīng)的雙重挑戰(zhàn)，使得電光開(kāi)關(guān)成為高平均功率激光器的限制 部件之一。常規(guī)縱向應(yīng)用的環(huán)電極普克爾盒，為獲得較好的光學(xué)均勻性，要求其電光晶體縱 橫比大于1，通光口徑為數(shù)厘米的普克爾盒，其開(kāi)關(guān)晶體將由于嚴(yán)重的光吸收導(dǎo)致晶體大的 溫升和溫度梯度，使折射率發(fā)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(biāo) 到大口徑、采用薄晶體的等離子體普克爾盒，由于電光晶體所處環(huán)境氣壓低，對(duì)流換熱系數(shù) 小，電光晶體對(duì)激光的線(xiàn)性吸收將產(chǎn)生熱沉積，進(jìn)一步導(dǎo)致應(yīng)力雙折射、退偏、波前畸變等 不良熱效應(yīng)，從而使得激光器的平均輸出功率受到限制、光束質(zhì)量變差，也只能用于單發(fā)次 工作模式。需要從根本上消除熱效應(yīng)。利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室A. Bayramian于2006年在一 篇名為《步頁(yè)率轉(zhuǎn)換與開(kāi)關(guān)技術(shù)》(《Frequency conversion and switching technologies》， A. Bayramian, C. Bibeau, and J. Caird et al. UCRL-PRESS-222125，2006)的年報(bào)中提出在 KD*P晶體入射面和出射面上分別貼上藍(lán)寶石，利用藍(lán)寶石大的熱傳導(dǎo)系數(shù)，帶走晶體中廢 熱。但由于藍(lán)寶石的分壓作用，勢(shì)必導(dǎo)致等離子體電光開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電壓的增加。如果兩塊藍(lán) 寶石厚度等于KD*P晶體厚度，則為使KD*P上分壓等于半波電壓，驅(qū)動(dòng)電源需要提供高達(dá) SOkV的電壓，這將導(dǎo)致重復(fù)頻率高電壓驅(qū)動(dòng)源的研制難度，同時(shí)造價(jià)昂貴且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。另 外，換熱過(guò)程中熱量沿橫向傳遞，使得電光晶體內(nèi)存在較大的橫向溫度梯度，而溫度梯度是 導(dǎo)致普克爾盒熱效應(yīng)的直接原因。
發(fā)明內(nèi)容為了突破關(guān)鍵單元電光開(kāi)關(guān)在高平均功率激光系統(tǒng)中所遇到的通光口徑限制與 熱效應(yīng)的雙重挑戰(zhàn)，本實(shí)用新型提供一種反射式等離子體電光開(kāi)關(guān)。本實(shí)用新型通過(guò)反射式設(shè)計(jì)，利用銅基反射鏡對(duì)電光晶體進(jìn)行端面強(qiáng)制冷卻管理 熱效應(yīng)，并采用等離子體電極技術(shù)將電光開(kāi)關(guān)定標(biāo)到大口徑。一種反射式等離子體電光開(kāi)關(guān)，包括普克爾盒和一個(gè)用于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(huán)、電極座、抽 氣進(jìn)氣嘴、底座。所述的電光開(kāi)關(guān)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(guān)系是，普克爾盒殼體中部設(shè)置有用于鑲嵌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(nèi)，KD*P晶體的兩個(gè)面上分別設(shè)置有銅基反射鏡和放電腔，銅基反射 鏡與KD*P晶體緊貼設(shè)置。在放電腔外設(shè)置有光窗。放電腔內(nèi)設(shè)置有電極環(huán)，電極環(huán)通過(guò)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(nèi)端與電極環(huán)連接，電 極座的外端與脈沖發(fā)生器負(fù)載電阻高壓端連接。在普克爾盒殼體上設(shè)置有進(jìn)氣抽氣嘴，進(jìn)氣抽氣嘴與放電腔連通；普克爾盒通過(guò)支桿固定設(shè)置在底座上。普克爾盒中的銅基反射鏡 與外接脈沖發(fā)生器負(fù)載電阻低壓端連接并接地。所述的偏振片設(shè)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采用硅膠進(jìn)行真空封接。所述的普克爾盒中放電腔內(nèi)部充有3000Pa 4500Pa的He氣，放電腔通過(guò)進(jìn)氣抽
氣嘴靜態(tài)封離。目前能夠生長(zhǎng)出的大尺度電光晶體有KDP和KD*P，KD*P的吸收系數(shù)大約是KDP吸 收系數(shù)的十分之一，因此KD*P成為制造較大口徑平均功率普克爾盒的首選電光晶體。本實(shí) 用新型利用KD*P的縱向電光效應(yīng)，采用等離子體和銅基組合電極施加開(kāi)關(guān)脈沖。氣體放電 所形成的等離子體具有光學(xué)透明高電導(dǎo)率特點(diǎn)，是施加大口徑高對(duì)比度普克爾盒縱向激勵(lì) 電場(chǎng)的理想電極。銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、以及機(jī)械加工性能，在本實(shí)用新型中銅基反射 鏡同時(shí)集電極、熱沉于一身。反射式等離子體電光開(kāi)關(guān)使得電光晶體的一個(gè)端面從低氣壓 環(huán)境中解放出來(lái)，利用大熱導(dǎo)率的銅端面冷卻電光晶體。這種冷卻結(jié)構(gòu)熱量傳遞路徑短，冷 卻效率高，同時(shí)縱向冷卻避免了橫向冷卻方法由卡路里加熱引起的橫向溫度梯度，從而可 以實(shí)現(xiàn)普克爾盒的高效熱管理。在反射式等離子體電光開(kāi)關(guān)中，銅沉對(duì)開(kāi)關(guān)晶體的冷卻效 果關(guān)鍵在于二者之間的機(jī)械接觸程度。為了減小接觸熱阻，將開(kāi)關(guān)中的晶體與銅基反射鏡 緊貼，在接觸面外圍涂密封膠，然后放入真空室抽真空到幾百帕，以減小銅基反射鏡和開(kāi)關(guān) 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(kāi)關(guān)晶體兩側(cè)的氣壓載荷，使環(huán)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(shí)，很有可能破環(huán)開(kāi)關(guān)晶體。在本實(shí)用新型中，普克爾盒和偏振片組合應(yīng)用實(shí)現(xiàn)對(duì)入射激光的開(kāi)關(guān)功能。靜態(tài) 時(shí)，平行于偏振片起偏方向的線(xiàn)偏振光，依次垂直透射偏振片、窗口、電光晶體，然后入射激 光被銅基反射鏡反射沿原光路返回。動(dòng)態(tài)時(shí)，在激光到來(lái)之前，在銅電極和放電腔之間施加 開(kāi)關(guān)脈沖，首先放電腔內(nèi)惰性氣體被擊穿形成全口徑內(nèi)均勻高電導(dǎo)率的等離子體，然后通 過(guò)銅電極和等離子體電極開(kāi)關(guān)脈沖電壓加載在電光晶體上。入射激光透過(guò)極化的晶體后 線(xiàn)偏光偏振方向轉(zhuǎn)過(guò)45°，經(jīng)反射鏡反射后再次通過(guò)極化的晶體偏振方向再次旋轉(zhuǎn)45°。 激光到達(dá)偏振片時(shí)，偏振態(tài)垂直于偏振片，被偏振片反射出腔外。這樣在實(shí)現(xiàn)電光開(kāi)關(guān)功能 的同時(shí)使得高效熱管理成為可能。本實(shí)用新型的反射式等離子體電光開(kāi)關(guān)具有口徑大、驅(qū)動(dòng)電壓低、光吸收小、成本 低、易于熱管理等特點(diǎn)，可以用于大口徑高平均功率激光系統(tǒng)的調(diào)Q、隔離和脈沖注定鎖定。

圖1為本實(shí)用新型的反射式等離子體電光開(kāi)關(guān)中的普克爾盒的側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實(shí)用新型的反射式等離子體電光開(kāi)關(guān)中的普克爾盒的正面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本實(shí)用新型中的電極環(huán)與錐形電極針結(jié)構(gòu)示意圖圖4為本實(shí)用新型中的反射式等離子體電光開(kāi)關(guān)性能測(cè)試時(shí)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(jìn)氣嘴 7.放電腔 8.支桿 9.底座 10.錐形放電針 11.電極環(huán)具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。本實(shí)用新型的反射式等離子體電光開(kāi)關(guān)可以定標(biāo)到大口徑，同時(shí)易于實(shí)現(xiàn)高效熱 管理，從而解決了高平均功率大口徑激光系統(tǒng)中關(guān)鍵單元電光開(kāi)關(guān)所遇到的口徑限制和熱 效應(yīng)雙重難題。圖1 3中，一種反射式等離子體電光開(kāi)關(guān)，包括普克爾盒和一個(gè)用于起偏和檢偏 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(huán)11、電極座5、抽氣進(jìn)氣嘴6、底座9。所述的電光開(kāi)關(guān)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(guān)系是，普克爾盒殼體1中部設(shè)置有用于鑲嵌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(nèi)，KD*P晶體2的兩個(gè)面上分別 設(shè)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(shè)置。在放電腔7外設(shè)置 有光窗3。放電腔7內(nèi)設(shè)置有電極環(huán)11，電極環(huán)11通過(guò)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(nèi)端與電極環(huán)11連接，電極座5的外端與 脈沖發(fā)生器負(fù)載電阻高壓端連接。在普克爾盒殼體1上設(shè)置有進(jìn)氣抽氣嘴6，進(jìn)氣抽氣嘴6 與放電腔7連通。普克爾盒通過(guò)支桿8固定設(shè)置在底座9上；普克爾盒中的銅基反射鏡4 與外接脈沖發(fā)生器負(fù)載電阻低壓端連接并接地。所述的偏振片設(shè)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之間均采用硅膠進(jìn)行真空封接。所述的普克爾盒中放電腔7內(nèi)部充有3000Pa 4500Pa的He氣，放電腔7通過(guò)進(jìn) 氣抽氣嘴6靜態(tài)封離。若干個(gè)錐形放電針10均勻地固定在電極環(huán)11內(nèi)側(cè)，錐形放電針采用逸出功較低 的鈰鎢合金材料制成。本實(shí)用新型反射式等離子體電光開(kāi)關(guān)的工作過(guò)程如下普克爾盒和偏振片組合應(yīng) 用實(shí)現(xiàn)對(duì)入射激光的開(kāi)關(guān)功能。靜態(tài)時(shí)，平行于偏振片起偏方向的線(xiàn)偏振光，依次垂直透射 偏振片、光窗3、KD*P晶體2，然后入射激光被銅基反射鏡4反射沿原光路返回。動(dòng)態(tài)時(shí)，在 激光到來(lái)之前，在銅基反射鏡4和放電腔7之間施加開(kāi)關(guān)脈沖，首先放電腔內(nèi)惰性氣體被擊 穿形成全口徑內(nèi)均勻高電導(dǎo)率的等離子體，然后通過(guò)銅電極和等離子體電極開(kāi)關(guān)脈沖電壓 加載在電光晶體上。入射激光透過(guò)極化的晶體后線(xiàn)偏光偏振方向轉(zhuǎn)過(guò)45°，經(jīng)銅基反射鏡 4反射后再次通過(guò)極化的KD*P晶體2偏振方向再次旋轉(zhuǎn)45°。激光到達(dá)偏振片時(shí)，偏振態(tài) 垂直于偏振片，被偏振片反射出腔外，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)功能。在高平均功率激光系統(tǒng)中，由于對(duì)入射激光的線(xiàn)性吸收，電光晶體內(nèi)將產(chǎn)生熱沉 積。為控制熱效應(yīng)，可采用風(fēng)冷、微通道、熱管等冷卻技術(shù)對(duì)銅基反射鏡4進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，從 而將KD*P晶體2內(nèi)熱量帶走。為了考察反射式等離子體普克爾盒電光開(kāi)關(guān)性能，對(duì)靜態(tài)消光比、動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)效率 進(jìn)行了測(cè)試。普克爾盒全口徑內(nèi)靜態(tài)消光比大于971 1。根據(jù)本實(shí)用新型的反射式等離 子體電光開(kāi)關(guān)性能測(cè)試獲得的錐光干涉效果可以看出，KD*P晶體裝校應(yīng)力可忽略不計(jì)，對(duì) 反射式等離子體電光開(kāi)關(guān)消光比影響不大。圖4為本實(shí)用新型中的反射式等離子體電光開(kāi)關(guān)性能測(cè)試時(shí)獲得的斬波波形。上面曲線(xiàn)為反射式等離子體電光開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電壓波形，下面 曲線(xiàn)為利用反射式等離子體電光開(kāi)關(guān)獲得的連續(xù)光斬波波形。實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到本實(shí)用新型的 反射式等離子體電光開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)效率大于99.5%。
權(quán)利要求一種反射式等離子體電光開(kāi)關(guān)，包括普克爾盒和一個(gè)用于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(huán)(11)、電極座(5)、抽氣進(jìn)氣嘴(6)、底座(9)；其特征在于所述的電光開(kāi)關(guān)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(guān)系是，普克爾盒殼體(1)中部設(shè)置有用于鑲嵌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(nèi)，KD*P晶體(2)的兩個(gè)面上分別設(shè)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(shè)置；在放電腔(7)外設(shè)置有光窗(3)，放電腔(7)內(nèi)設(shè)置有電極環(huán)(11)，電極環(huán)(11)通過(guò)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(nèi)端與電極環(huán)(11)連接，電極座(5)的外端與脈沖發(fā)生器負(fù)載電阻高壓端連接；在普克爾盒殼體(1)上設(shè)置有進(jìn)氣抽氣嘴(6)，進(jìn)氣抽氣嘴(6)與放電腔(7)連通；普克爾盒通過(guò)支桿(8)固定設(shè)置在底座(9)上；普克爾盒中的銅基反射鏡(4)與外接脈沖發(fā)生器負(fù)載電阻低壓端連接并接地；所述的偏振片設(shè)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(jù)權(quán)利要求1所述的反射式等離子體電光開(kāi)關(guān)，其特征在于所述的普克爾盒中 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)之間均采用硅膠進(jìn)行真空封接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射式等離子體電光開(kāi)關(guān)，其特征在于所述的普克爾盒中 放電腔⑵內(nèi)部充有3000Pa 4500Pa的He氣，放電腔(7)通過(guò)進(jìn)氣抽氣嘴(6)靜態(tài)封 罔ο
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型提供了一種反射式等離子體電光開(kāi)關(guān)，所述的開(kāi)關(guān)包括普克爾盒和一個(gè)用于起偏和檢偏的偏振片。在所述的電光開(kāi)關(guān)的普克爾盒中KD*P晶體的兩個(gè)面上分別設(shè)置有銅基反射鏡和放電腔，銅基反射鏡與KD*P晶體緊貼設(shè)置，普克爾盒中的銅基反射鏡與外接脈沖發(fā)生器負(fù)載電阻低壓端連接并接地。所述的偏振片設(shè)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(shí)用新型的反射式等離子體電光開(kāi)關(guān)具有口徑大、驅(qū)動(dòng)電壓低、光吸收小、成本低、易于熱管理等特點(diǎn)，可以用于大口徑高平均功率激光系統(tǒng)的調(diào)Q、隔離和脈沖注定鎖定。
文檔編號(hào)G02F1/03GK201707514SQ20102000372
公開(kāi)日2011年1月12日 申請(qǐng)日期2010年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月5日
發(fā)明者吳登生, 張君, 張雄軍, 田曉琳 申請(qǐng)人:中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心