声光器件中的热学效应

　第4期阎永志:高新技术动态285 高新技术动态

声光器件中的热学效应

阎永志

声光器件是指利用光弹效应的一类光功能器件。这种光弹效应是利用声波被施加到光学媒质上,从而改变光学媒质折射率来实现的。在激光调制、偏转、可调谐滤光以及利用多谱勒效应的光外差干涉等许多方面,声光器件有着广阔的应用前景。

然而,在声光器件的设计、制作和应用中,作为一种有源器件所特有的热学问题往往为人们所忽视,由此而造成的损失可想而知。例如,通过声光器件控制的激光束进行精细加工或光学测量时,声光器件中产生的热学效应将导致光束位置位移、自聚焦等。在大功率激光作用下,声光器件中除产生增透膜和光学媒质破坏等光损伤外,还可能产生光学媒质的热感应双折射变化。为了提高和改变国内声光器件的设计水平与应用效果,充分发挥其多功能作用,文章将简要介绍体波声光器件中的热学效应。

1　激光束的位移特性

高频电功率被施加到声光器件压电换能器上时,由于机电转换作用,压电元件将产生发热现象。同时,伴随着超声波在光学媒质中传播,部分超声波被媒质所吸收。上述热源的存在均可导致光学媒质中缓变性温度梯度的出现。

温度梯度的存在和发展与光学媒质的密度 、比热C、热传导率 有关,即热扩散率a = / C,同时还将涉及折射率n和折射率的温度变化(d n/d T)等光学参数。

国外学者对Ao T—40、AoT—5、合成石英、PbM oO4和T eO2等声光媒质施加高频(80M Hz)电功率0.5W,用斐索(Fizen)干涉计观察到透过激光光波面的畸变现象。这种畸变来自于温度梯度变化T引起的光程长度变化S

S=L (d n/d T) T+

L n a T=

L T (d n/d T+na)(1)其中L为光在媒质中的光程。式(1)中(d n/ d T+na)为光程长度温度系数,用几何长度规一化表示为d(n L)d T=S/T L。用式(1)计各各种光学媒质的S值发现除Pb-Mo O4的S为负值外,其余均为正值。这表明PbM oO4对于温度变化呈“凹透镜效应”(发散),而其他光学媒质则呈“凸透镜效应”(聚焦)。

有人采用入射He-Ne激光的PSD半导体器件对各种媒质的声光器件进行试验,分别测量对应于高频电功率的激光(一次衍射光)束位置的位移。此位移定义为被测量点(到x-y平面原点的距离r=(x2+ y2)0.5)与声光器件间的角位移。试验结果表明,PbMo O4的激光束位置的位移很大(0.4 mrad),而A07—40则很小(0.04mr ad),各种光学媒质的激光束位置位移值倾向为: A07—40—AOT—5<合成石英

2　热感应双折射特性

声光媒质中温度梯度的存在将导致热感应双折射的产生,从而影响通过声光器件激光的偏振特性。

最近报道了一种采用光频移相器的光外差干涉计,可以用来测量通过声光器件激光的偏振态(相位差)。声光晶体相位差!由

　286压　电　与　声　光1997年　

下式给出:

!=2∀ T L {d(n⊥-n )/d T+#⊥ n⊥-# n }/∃(2)式中∃为激光波长(633nm);n⊥、n 和#⊥、# 分别为检测激光垂直与水平分量的折射率与膨胀率。

由式(2)可知,合成石英的相位差几乎为零,其原因是d(n⊥-n )/d T+#⊥n⊥-# n = 0。而对PbM oO4而言,n⊥=n0,n =n e,施加高频电功率1W时相位差最大(11r ad)。

3　激光束的形变特性

随着固体激光器高次谐波的产生和高功率化以及短波长激光的广泛应用,声光器件有可能产生光损伤。当光损伤现象发生时,声光媒质两端面上的增透膜被破坏,光学媒质会因内部产生气泡而失效。通常,增透膜由1～3层介电膜构成,为防止光损伤,应使其声光晶体表面研磨状态良好,并且在成膜工艺中避免杂质混入,否则会导致激光吸收。另外,声光器件在粉尘环境中工作也容易产生损伤。光学媒质因原子内电子受激光电场相互作用而被破坏。氢原子中电子与激光相互作用的电场约为5×109V/cm。合成石英在55kV/cm静电场作用下将被介质击穿而失效,此值对应的激光功率密度约为4MW/cm3。

声光晶体即使未发生光损伤,也会因生长晶体过程中坩埚物质或原材料不纯物的混入而产生激光吸收现象。激光吸收发热会导致晶体折射率变动,使透过激光束形变。假设声光晶体固有折射率为n(0),则

n=n(0)+(d n/d T) T(3) T∞#opt E2

式中E为激光电场;#opt为激光吸收系数。当d n/d T为正值时,声光晶体局部区域的n比周边n(0)大,激光束径因“凸透镜效应”而变小;反之因“凹透镜效应”而变大。如通过T eO2的激光束有聚焦现象,而通过PbM oO4的激光束有发散现象。总之,由于声光晶体的激光吸收发热会导致透过光束形变,晶体熔解温度越低,折射率变化越显著,透过晶体的激光束形变越大。因此,考虑到激光束形变, T OT—40,AOT—5的工作激光密度应控制在20W/cm3以下,T e2O、PbMo O4和合成石英的工作密度应控制在50W/cm3以下。

4　结语

声光器件中的热学效应普遍存在,关键问题是在器件设计和应用中,工作激光密度应严格控制在声光媒质各自的极限值以下,充分发挥声光器件的多功能作用。在选择声光媒质时,传统观念十分重视性能指数。然而,近来日本学者天野觉新提出一种M2 (d S/d T)的参数方案,把折射率的温度变化(d n/d T)和光程长度的温度变化(d S/d T)视为声光媒质特性的重要因子。我国声光器件设计者不妨对上述两种方案进行探讨和实践。