曾慶高，張澤紅，高維松，付禮鵬

(1. 中國電子科技集團(tuán)公司第四十四研究所, 重慶 400060；2. 中國電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所, 重慶 400060)

0 引言

飛秒激光脈沖具有極短的脈沖寬度和極高的峰值功率，與物質(zhì)相互作用時呈現(xiàn)強(qiáng)烈的非線性效應(yīng)，它主要依靠多光子吸收機(jī)制來加工一些長脈沖激光無法作用的透明材料。飛秒脈沖作用時間極短，熱效應(yīng)小(可忽略)，使得激光燒蝕的邊緣整齊、光滑無毛刺裂紋，因此,近年來飛秒脈沖激光得到了飛速發(fā)展，在精細(xì)加工領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多[1]。

在使用飛秒激光加工過程中，需要對激光進(jìn)行快速的開關(guān)控制。這種開關(guān)控制只能在激光腔外進(jìn)行，若在激光腔內(nèi)會嚴(yán)重影響激光脈沖的穩(wěn)定性。

聲光開關(guān)具有承受激光功率高，開關(guān)速度快，損耗低，工作壽命長，全固化無機(jī)械運動，控制方便等優(yōu)點，成為飛秒激光領(lǐng)域理想的開關(guān)部件。

1 基本原理

近年來，為了提高激光加工的深度和速度，飛秒激光的光功率越來越高(平均功率100 W，峰值功率20 MW)，常用的氧化碲晶體承受不了這么高的激光功率，因此，需要采用耐受激光功率能力較好的石英晶體(峰值功率可達(dá)1 GW)來制作聲光開關(guān)。

聲光開關(guān)主要由器件和驅(qū)動器兩部分組成。器件主要由表電極、換能器和聲光介質(zhì)等組成[2]，是完成聲與光相互作用的核心部件，如圖1所示。驅(qū)動器的功能是給器件提供高頻驅(qū)動信號。

圖2為聲光開關(guān)應(yīng)用示意圖。驅(qū)動器輸出的電信號傳輸?shù)狡骷?nèi)，經(jīng)表電極加到換能器上，換能器轉(zhuǎn)化為超聲波傳輸?shù)铰暪饣プ饔媒橘|(zhì)內(nèi)，入射光在介質(zhì)內(nèi)與超聲波發(fā)生聲光互作用，產(chǎn)生衍射光。衍射光與0級光(穿過器件未衍射的入射光)在空間上分離，再被光學(xué)系統(tǒng)整形聚焦到加工部件上。

通過控制信號可控制衍射光的強(qiáng)弱、有無?？刂菩盘栍袃山M:

1) 模擬控制信號(0～1 V)。它調(diào)節(jié)驅(qū)動器輸出電功率信號的幅度，從而控制衍射光的強(qiáng)弱。

2) 開關(guān)控制信號(TTL電平)。它控制驅(qū)動器的輸出，從而根據(jù)需要控制衍射光的有無：低電平無電功率輸出(無衍射光)，高電平有電功率輸出(有衍射光)。這樣聲光開關(guān)實現(xiàn)了對激光的開關(guān)控制功能，如圖3所示。

圖3 聲光開關(guān)控制示意圖

2 衍射效率

衍射效率η是指+1級衍射光占總光強(qiáng)的百分比，是表征聲光開關(guān)特性的重要技術(shù)指標(biāo)。η越高，激光能量的利用率越高，對系統(tǒng)的損耗就越低。為了提高η，器件設(shè)計成布喇格衍射模式，布喇格衍射的條件是品質(zhì)因數(shù)Q不低于4π。Q值越大，進(jìn)入布喇格衍射模式的程度越高，+1級衍射光可達(dá)到的效率越高。Q值[2]為

Q=2πLf2λ/(nv2)

(1)

式中：f為工作頻率；λ為光波長；n為聲光介質(zhì)折射率；v為聲光介質(zhì)中超聲波的速度；L為聲光互作用長度。

本文聲光介質(zhì)采用石英晶體,取f=68 MHz，λ=1 064 nm，n=1.55，v=5 750 m/s。 當(dāng)器件工作模式為布喇格衍射時，+1級衍射光的η[3]為

(2)

式中：P為輸入器件的電功率；k為器件換能器的機(jī)電耦合系數(shù)；M2為器件聲光介質(zhì)的聲光優(yōu)值；H為光孔徑。

本文換能器材料采用鈮酸鋰晶體，其k=0.49，M2=3.5×10-15s3/kg，H=4 mm。

η還與聲波發(fā)散角Δθ、入射光的光束質(zhì)量因子M2有關(guān)。對于大多數(shù)激光器，適當(dāng)增加聲波發(fā)散角能獲得更高的η，但會浪費一定的聲波功率。器件聲波發(fā)散角為

Δθ=v/(Lf)

(3)

由式(3)可知，當(dāng)聲光介質(zhì)石英晶體的v和f確定后，減少L是增加聲波發(fā)散角的唯一途徑。L與Q、η有關(guān)，故需兼顧設(shè)計。

比較L分別為42 mm、35 mm和28 mm的聲光開關(guān)的最大η。測試激光器的Δθ=1.4 mrad，這3種聲光開關(guān)能達(dá)到的最大η和需要的驅(qū)動電功率典型值如表1所示。由表可見，1#聲光開關(guān)的L最大，Δθ最小，需要的驅(qū)動電功率最小，但能達(dá)到的最大η最??；3#聲光開關(guān)的L最小，Δθ最大，浪費的聲波功率較多，故所需電功率較大。又由于Q值較小，進(jìn)入布喇格衍射模式的程度不高，故而獲得的最大η較低。比較可知，L=35 mm時，既能獲得較高的η，又不需要太高的驅(qū)動電功率，因此設(shè)聲光開關(guān)的L=35 mm。

表1 3種聲光開關(guān)能達(dá)到的最大η

對于L=35 mm的聲光開關(guān)，除穿過器件的0級光外，還能觀察到+1級、+2級和-1級衍射光，其他高階衍射光能量很小，可忽略。這種聲光開關(guān)各級衍射光(包括0級光)占總光強(qiáng)比(典型值)如表2所示。由表可見，驅(qū)動器輸出電功率為30 W時，器件達(dá)到的+1級光η最高，再增加電功率有用的+1級光η會降低，無用的0級光及高階衍射光(-1級和+2級)會增加，因此，我們設(shè)計的模擬電壓控制信號能精確控制輸入器件的電功率，以獲得最佳的衍射效率。

表2 L=41 mm時各級衍射光(包括0級光)占總光強(qiáng)比

圖4為+1級光η隨電功率的變化趨勢。由圖可見，在+1級光η達(dá)到最大值前，實測值與理論值較吻合。在+1級光η最大時，各級衍射光占總光強(qiáng)比如圖5所示。

圖4 +1級光η隨電功率變化的趨勢

圖5 各級衍射光光強(qiáng)比

3 光束模式

η決定了激光功率的利用率，光束模式?jīng)Q定了激光束的質(zhì)量。如果把激光束比作一把加工用的刀，那么激光功率就表示這把刀的質(zhì)量，而光束模式表示這把刀的鋒利程度。如果只是激光的功率大，而光束模式不好，就如同一把鈍刀，不會取得好的加工效果。激光模式的本質(zhì)是激光能量的空間分布，它決定了聚焦焦點的能量分布，對激光加工質(zhì)量具有重要的影響[4]。

為獲得好的加工質(zhì)量，飛秒激光的光束模式質(zhì)量一般都做得較好。聲光開關(guān)與激光發(fā)生直接接觸的是器件里的聲光介質(zhì)，聲光介質(zhì)的光學(xué)性能、通光面質(zhì)量、溫度分布及應(yīng)力分布等情況會影響激光的光束模式。

聲光介質(zhì)選用光學(xué)級的石英晶體，其光學(xué)性能很好，理論上不會對激光的光束模式產(chǎn)生影響。聲光介質(zhì)通光面質(zhì)量對光束模式影響較大，必須采用高等級的拋光技術(shù)、提高平面度等級及降低粗糙度來消除通光面質(zhì)量對光束模式的影響。

我們采用浴法拋光，工件和拋光模具同時都浸在拋光液中，使用極細(xì)的拋光粉和很低的拋光壓力，這樣拋光時產(chǎn)生摩擦熱能迅速擴(kuò)散到拋光液中，有效避免了工件和拋光模具的溫度升高，徹底消除了工件的熱變形，從而使工件表面質(zhì)量達(dá)到較高的水平：通光面粗糙度Ra可達(dá)0.3～0.5 nm，平面度為λ/20(λ為波長)。

石英晶體的熱導(dǎo)率很高，為減小體積，采用了單面水冷的緊湊結(jié)構(gòu)模式,產(chǎn)品外形如圖6所示。器件工作2 min就達(dá)到熱平衡，這時使用的區(qū)域內(nèi)晶體溫度差小于2 ℃，如圖7所示。

圖6 聲光開關(guān)外形

圖7 聲光開關(guān)的熱像儀照片

M2能較好地表征光束模式的特性，本文采用M2測試儀測量光束模式。光源為二極管泵浦連續(xù)激光器，其光功率為2.4 W。由于M2測試儀承受的激光功率很低，因此,在激光器的輸出端使用了一個衰減片，將激光功率降低到0.5 mW時再進(jìn)行測量。

用M2測試儀測試經(jīng)過衰減片后的入射激光的光束模式，測試結(jié)果如圖8所示。衍射光光束的測量結(jié)果如圖9所示。

圖8 入射光的光束模式

圖9 衍射光的光束模式

表3為入射光和衍射光的M2對比分析。由表可見，與入射光M2相比，衍射光M2的相對變化量小于1%，基本上未改變光束模式。這個變化量是晶體質(zhì)量、通光面拋光質(zhì)量、衍射作用及溫度分布等多種因素綜合作用的結(jié)果， 要進(jìn)一步降低變化量，需從上述幾方面著手分析解決。

表3 入射光與衍射光的M2對比分析

4 結(jié)束語

石英聲光開關(guān)全固化無機(jī)械運動，控制方便，性能穩(wěn)定，且對入射光的光束模式改變很小，不僅可用于高功率飛秒激光器系統(tǒng)中，還可用于其他高功率脈沖激光器或連續(xù)激光器系統(tǒng)中。通過優(yōu)化設(shè)計聲光互作用長度，在光束質(zhì)量較好的條件下，獲得了高達(dá)95%的+1級光衍射效率，但與理論值相比還有一定的差距，需在以后工作中改進(jìn)。