當(dāng)今市場(chǎng)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(duì)于那些不熟悉相關(guān)技術(shù)的人來(lái)說(shuō)，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(jiàn)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(shí)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(duì)調(diào)制應(yīng)用進(jìn)行分類的一種方法是根據(jù)這一過(guò)程發(fā)生在系統(tǒng)的哪個(gè)位置。具體來(lái)說(shuō)，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(kāi)關(guān)、鎖模和腔倒空。在這種情況下，調(diào)制器打開(kāi)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(guò)將脈寬限制在幾飛秒來(lái)接近太瓦的峰值脈沖功率。

腔外調(diào)制器本質(zhì)上只是開(kāi)關(guān)，可以打開(kāi)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(kāi)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(hào)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(guò)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(wú)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(guò)一個(gè)孔，阻擋未偏轉(zhuǎn)（0 階）光束。通過(guò)改變應(yīng)用的射頻信號(hào)可實(shí)現(xiàn)調(diào)制。也可以將 AOM 配置為通過(guò)未偏折光束。這樣可以提供更大的總功率。但對(duì)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(guò)。

技術(shù)比對(duì)

對(duì)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(duì) EOM 的某項(xiàng)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)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(duì)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(guò)渡到打開(kāi)狀態(tài)所需的時(shí)間。通常的慣例是指定從 10% 開(kāi)啟狀態(tài)到 90% 開(kāi)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(chǎng)，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(kāi)始振動(dòng)和聲波完全通過(guò)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(kāi)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(lái)說(shuō)，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(guò)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(jiàn)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(hào)的直徑從 2.5 mm到 100 mm不等，甚至更大。雖然增大孔徑對(duì)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(jí)和千萬(wàn)瓦級(jí)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(lái)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(guò)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(duì)比度/消光

對(duì)比度或消光的定義是打開(kāi)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(duì)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?？梢猿惺芨吖β实墓馐透叩拿}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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(guò)生長(zhǎng)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(duì)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(duì)于最大限度地減少插入損耗非常重要。

由于開(kāi)關(guān)電壓較高，EOM 晶體還必須經(jīng)過(guò)高電阻率篩選。電阻率過(guò)低會(huì)導(dǎo)致不可接受的電流流動(dòng)、晶體過(guò)度發(fā)熱，甚至 “過(guò)弧 ”和災(zāi)難性開(kāi)裂。電源測(cè)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(zhǎng) EOM 的使用壽命。對(duì)于 AOM 來(lái)說(shuō)，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?cè)?G&H 生產(chǎn)包括 TeO2 在內(nèi)的大部分材料的原因。對(duì)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^(guò)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(zhǎng)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(cè)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(guò)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(shì)。

• 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(wàn)瓦級(jí)別。

• 軍用激光器（如用于測(cè)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(zhǎng)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(guó)的授權(quán)代理商，我們的產(chǎn)品經(jīng)理很樂(lè)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)。