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BBO普克尔盒
- 高承受功率、高重频的调Q器件
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产品介绍：
高承受功率、高重频的调Q器件
BBO普克尔盒(BBO Pockels cells)是一种基于电光效应开发的激光器件。当向电光晶体施加电压时，晶体折射率发生变化。沿光轴方向传输的偏振光由于双折射引起的相位差，这将导致出射后偏振态发生改变。BBO普克尔盒的工作原理基于横向电光效应。因此，可以通过改变BBO晶体的尺寸有效降低工作电压。
我们团队可提供不同规格要求的BBO普克尔盒。产品可适用于不同的使用环境。由于BBO普克尔盒具有低振铃效应，配合上自制驱动可实现1 MHz的重复频率。此外，我们还提供水冷型或其他特殊附件定制。
应用领域：
● Q开关
● 再生放大
● 脉冲选择
● 腔倒空
游艇会科技产品全制程自主生产，可以根据客户需要定制。标准产品参照下面列表。
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产品编码：BPt-alq-b-w |
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外壳截面类型 (t) |
有效通光孔径 (a) |
晶体长度 (l) |
级联类型 (q) |
可选配件 (b) |
波长 (w) |
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A (正方形) C (圆形) S (特殊) |
3 (2.6 mm) 4 (3.6 mm) ... |
A (20 mm) B (25 mm) ... |
S (单晶) D (双晶) T (三晶) ... |
C (陶瓷片) L (水冷) N (无) ... |
1030 nm 1064 nm ... |
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典型指标参考（@1064 nm） |
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通光孔径* |
消光比 |
上升/下降时间** |
级联类型 |
透过率 |
代表型号 |
λ/4电压*** |
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3-6 mm |
≥1200:1 |
＜10 ns |
单晶 |
≥99% |
3AS |
3.6kV |
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3-6 mm |
≥1000:1 |
＜10 ns |
双晶 |
≥98.5 % |
3AD |
1.8kV |
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7-12 mm |
≥500:1 |
＜20 ns |
双晶 |
≥98.5 % |
10AD |
5.8kV |
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损伤阈值 10 J/cm²,10 ns,10 Hz |
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*建议使用光斑（1/e²）小于0.6倍通光孔径 **实际值受驱动影响 ***与型号相关，建议最大使用电压不超过定制型号标准电压的1.3倍（例：通光口径3mm，建议最大使用电压不要超过3.9kV） |
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封装尺寸示意图（mm）：
- 游艇会小课堂 -
高重频电光调制器的特点及应用
电光调制器是一种基于电光效应的光调制器件，当驱动器对电光调制器施加电压时，其内部的电光晶体光轴发生定向旋转，晶体折射率分布发生改变，由于o光与e光在晶体内部的传播速度不同，到达同一位置时两者存在一定相位差，差值与施加在晶体上的电压有关，故电光晶体此时相当于一个相位延迟量可变的光学波片，可对入射其内部的偏振光进行调制[1]。
图1 电光器件示意图
Part 01
高重频电光调制器的分类
高重频电光调制器按输出方式划分，可分为光波导型和自由空间型两大类。
光波导型✦
光波导电光调制器的主体是一片带有波导材料和薄膜电极的光学基板。光耦合进入波导内部，沿特定轴向施加外电场时，光的不同偏振分量之间的相位差将发生改变。波导材料一般选用LN，所制成的调制器重频可达GHz级别，同时具有高调制带宽、高消光比和优越的稳定性。
图2 光波导电光调制器示意图
图源：《用于毫米波光传输系统的铌酸锂调制器研究》
自由空间型✦
自由空间电光调制器又称体电光调制器，主要由电光晶体与金属电极组成，晶体可采用BBO、LN、DKDP等。当金属电极两端施加电压后，晶体内部的电场将引起折射率改变，由此实现对光束的不同偏振分量进行相位调制。通过适当的电路匹配，调制器重频可达MHz级别。
随着激光应用领域的不断深入发展，人们对电光调制器的重复频率也提出了更高的要求，如光波导电光调制器的重复频率可达100GHz，这部分内容小编改日开个专题给大家娓娓道来，今天咱们以高重频BBO调制器（也可根据其原理称为BBO普克尔盒）为例，先来聊聊自由空间高重频电光调制器。
Part 02
高重频BBO调制器的制造难点和突破
制造难点✦
高重频电光调制器的特点是在保证透过率、消光比不变的前提下，能在驱动施加高重频（≥1 MHz）电压时稳定工作。而想要达到理想的效果就必须解决以下两个问题：
1.高重频下晶体逆压电效应引起的压电振铃
对于BBO晶体，在高重频下，随着调制次数的叠加，晶体受压电振铃效应的影响越来越明显，特别是加载的重复频率与电光调制器的固有振动频率相等时，压电振铃效应将被放大，甚至直接导致BBO晶体的碎裂[2]。
针对此技术难题，我们研究了阻尼减振的相关机理，观察不同阻尼材料下BBO晶体在高重频调制时出现的压电振铃现象。通过设计特殊结构的电极，避免了高重频下由压电振铃效应带来的调制失真。
2.高重频下等效电阻的发热
众所周知，晶体在高重频下使用会出现严重发热的现象，这就需要我们对发热机理进行剖析。减小等效电阻或者增大热传导，改进产品的结构设计，可提高器件的散热性能。我们通过建立温场模型进行仿真分析，选用适当的导热材料，合理设计高重频BBO调制器的结构，改善了BBO晶体高重频下的调制失真。
创新突破✦
改善前 改善后
图3 游艇会高重频BBO调制器产品改善前后的温场分布对比
图3所示是我们改善前后的高重频BBO调制器产品在相同条件下（100W激光功率）的温场分布。改善前晶体中心温度升高24℃，而改善后产品中心温度仅升高19℃，这说明改善后电极与外壳的结构设计更合理，增大了接触面积，导热效果更好。
如图4所示是高重频BBO调制器工艺改进过程的阻抗曲线对比（深红色为最终产品的谱线）。从谱图中可以看出改善后的最终产品已有效抑制了在高频（1MHz）下的压电振铃效应，且实现了从低频到高频的稳定应用。
图4 高重频BBO调制器阻抗曲线
通过以上关键技术的迭代革新，游艇会科技突破了BBO调制器高重频下压电振铃效应技术瓶颈，开发出基于BBO晶体材料的高重频(≥1MHz)电光调制器产品。其规格参数可达到：通光孔径≥Ф3mm、消光比≥1000:1、透过率≥99%以及损伤阈值≥1GW/cm²@1064 nm（10ns,10Hz）。
由该产品在1MHz频率下的消光比（见图5）和调制波形测试（见图6）可以看出，游艇会科技高重频BBO调制器具有优良的高重频稳定性。游艇会科技的研发团队并不止步于此，将持续投入，不断开发具有更大口径更高频率的电光调制器。
图5 改善后产品（红色）与改善前产品（蓝色）消光比变化曲线对比@1MHz
图6 游艇会产品调制波形图@1MHz
下图7为游艇会科技典型的高重频BBO调制器产品。游艇会科技可根据客户使用条件设计和制作所需通光孔径，长度和应用波段（涵盖355-2000nm）的高重频BBO调制器产品。
高重频
BBO调制器
图7 不同型号的BBO调制器
Part 03
高重频电光调制器的应用
目前，高重频电光调制器主要应用在以下几个方面。
1-激光调Q✦
图8 电光调Q激光器示意图
图源：《高重复频率电光调Q激光器的研究》
如图8所示，开始时BBO晶体未加电压，为单轴晶体，线偏P光通过BBO无双折射现象，偏振方向不变。随后线偏光通过λ/4波片，由部分反射镜M2反射再次通过λ/4波片，此时仍为线偏光，但偏振方向转动了90°（S光），经过 BBO晶体后由布儒斯特镜（BP）反射偏出腔外。此时谐振腔处于低Q值状态，腔内不能形成振荡，工作物质上能级反转粒子便在这段时间内迅速积累。在反转粒子数达到最大值时给BBO晶体施加电压U，此时BBO晶体由原先的负单轴晶体变为双轴晶体，光轴方向发生了变化，从而使光轴的上o光、e光折射率也相应发生了变化，此时BBO晶体的线偏光发生了双折射现象，o光与e光在通过晶体后产生了相位差。当相位差达到π/2时，o光和e光便合成为圆偏振光，称此时的电压为λ/4电压，可将BBO晶体视为一个λ/4波片。因此P光在先后经过BBO晶体、λ/4波片后由部分反射镜M2反射原路返回，在光到达布儒斯特镜（BP）前，可将这整个过程等效为偏振经过一个全波片，其偏振方向不变，此时腔内损耗最小，腔内建立激光振荡，随之便发射激光脉冲[3]。
电光调 Q 激光器若要获得高重复频率激光输出，性能优异的电光调制器必不可少。BBO晶体因其具有高消光比、高损伤阈值、吸收损耗较低、压电振铃效应较小等优点，制成的高重频BBO调制器广泛应用于高重频激光器系统中，重复频率达1MHz。
2-再生放大✦
图9 腔倒空光路示意图
图源：《带内泵浦大功率MHz腔倒空锁模激光技术研究》
在再生放大光路中，种子光通过法拉第光隔离系统（TFP1+HWP+FR）后经过偏振片 TFP2 进入再生腔，这时种子光偏振态为水平偏振。往返经过1/4波片和电光调制器后种子光偏振态被旋转90°成为垂直偏振光进入谐振腔内。当垂直偏振光再次返回调制器时，给电光调制器加λ/4电压，垂直偏振的种子光往返经过电光调制器和QWP不改变偏振状态，在腔内放大。当功率达到一定功率时，需要将激光输出腔外时，撤去电光调制器上的高压信号，垂直偏振光脉冲往返经过电光调制器和QWP后被旋转为水平偏振光透过TFP2，经过FR和HWP后旋转为垂直偏振光经TFP1反射输出。通过控制电光调制器的加压时间就可以控制种子脉冲在再生腔内的往返次数，从而控制脉冲放大过程[4]。对于高重频的再生放大器而言，放大器的重复频率和脉冲能量取决于电光调制器，因此，高重频电光调制器的调Q性能在很大程度上影响再生放大器的输出功率。
3-脉冲选择✦
大多数情况下，超短脉冲是由锁模激光器产生的，以脉冲序列的形式输出，脉冲重复频率在10MHz-10GHz量级。在某些应用中，有时候需要从脉冲序列中提取特定的脉冲，例如只允许某个特定脉冲通过而阻止其它的脉冲。这可以采用一个脉冲选择器来实现，即基于电光调制技术的高速光闸[5]。
电光调制做脉冲选择器时，由电光晶体和一些偏振光学元件，例如薄膜偏振片组成。电光晶体调控偏振态，偏振片则根据脉冲的偏振态可使其通过或阻止。
图10 脉冲选择器光路示意图
图源：OEM-tech
一般情况下，调制器的速度都是由脉冲列中脉冲的时间间隔决定的，而不是由脉冲长度决定，即调制器速度由脉冲源的脉冲重复频率决定。
以上便是小编为大家带来的高重频电光调制器及其应用的简述。
如有需要或疑问诚挚欢迎您与我们的团队联系：
邮箱：sales@shopisv.com
电话：(0)591-83771604，83517265
延伸阅读：《初始光学晶体结构》，解读BBO在电光调制应用中的晶体结构相关原理。
参考文献✦
[1] 王继扬，郭永解，李静，张怀金. 电光晶体研究进展[J]. 中国材料进展，2010.29(10).49-58.
[2] 冉子涵，赵一鸣，李 静，李之通，李祚涵. 全固态高重频电光调Q激光器研究进展[J].遥测遥控，2021.42(2).
[3] 许自一. 高重复频率电光调Q激光器的研究[D]. 华中科技大学，2011.
[4] 杨超.带内泵浦大功率 MHz 腔倒空锁模激光[D]. 北京：北京工业大学，2014.
[5] 王世伟.基于电光调制方式的宽带和短脉冲产生技术研究[D]. 上海：上海交通大学，2013.
END
文字来源 | 游艇会科技器件事业部
图片来源 | 游艇会科技器件事业部
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产品介绍：
高承受功率、高重频的调Q器件
BBO普克尔盒(BBO Pockels cells)是一种基于电光效应开发的激光器件。当向电光晶体施加电压时，晶体折射率发生变化。沿光轴方向传输的偏振光由于双折射引起的相位差，这将导致出射后偏振态发生改变。BBO普克尔盒的工作原理基于横向电光效应。因此，可以通过改变BBO晶体的尺寸有效降低工作电压。
我们团队可提供不同规格要求的BBO普克尔盒。产品可适用于不同的使用环境。由于BBO普克尔盒具有低振铃效应，配合上自制驱动可实现1 MHz的重复频率。此外，我们还提供水冷型或其他特殊附件定制。
应用领域：
● Q开关
● 再生放大
● 脉冲选择
● 腔倒空
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