專利名稱：一種單一脈沖驅(qū)動的dkdp晶體等離子體電極普克爾盒的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于高平均功率激光器領(lǐng)域，具體涉及一種單一脈沖驅(qū)動的DKDP晶體等離子 體電極普克爾盒。
背景技術(shù)：
高平均功率激光器中，為獲得高功率的重復(fù)頻率激光脈沖，通常采用重復(fù)頻率的普克爾 盒進行調(diào)Q和隔離。在高平均功率光負荷下，普克爾盒開關(guān)晶體由于光吸收會導致晶體產(chǎn)生 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。因此，用于高平 均功率的開關(guān)晶體，要求線性吸收系數(shù)小，熱傳導系數(shù)大。
近年來用于高平均功率調(diào)Q的電光晶體包括LiNb03， BB0， KTP、 RTP和DKDP。 LiNbO;j的 吸收系數(shù)低( 0. l%cm—^ ，但電光系數(shù)小(約比DKDP小一個量級)、光損傷閥值低( 250麗/cm2，入=1.064咖，10ns)，加之在重復(fù)頻率大于lkHz時有壓電效應(yīng)產(chǎn)生的聲沖擊對 雙折射的影響，因此不適用于平均功率大于100W的激光器。BBO的光傷閥值高( 20GW/cm2 )，但其電光系數(shù)太小，在重復(fù)頻率大于10kHz存在壓電效應(yīng)，而且口徑只能做到3mmX3mm 或稍大，僅能用于緊湊的二極管泵浦激光器。相比之下，KTP和RTP是較好的高平均功率電光 材料，它們是雙軸晶體，KTP線性吸收系數(shù)為0.01^cm—、光傷閾值可以達到lGW/cm2，在重 復(fù)頻率高至30kHz無壓電沖擊，且電光系數(shù)較大(常用的兩種Yci^28pm/V， yc2^22pm/V) 。RTP的光傷閥值比KTP高一倍，因此有更大的溫度穩(wěn)定范圍(25 125°C)。但目前KTP和 RTP的尺寸較小，其橫向最大尺寸只有l(wèi)cm左右，無法滿足大口徑高平均功率激光器的要求。 雖然DKDP的線性吸收系數(shù)比以上幾種晶體大，為0.5^cm—、而大尺度DKDP晶體的生長、金 剛石車削以及減反鍍膜技術(shù)較為成熟，因此成為制造較大口徑高平均功率普克爾盒的首選電 光晶體。
等離子體電極普克爾盒從LLNL (利弗莫爾國家實驗室)提出發(fā)展至今，有兩種工作方式
最初的等離子體電極普克爾盒(PEPC)，由兩個放電腔和中間的電光晶體構(gòu)成，兩個放電 腔內(nèi)各有一對放電陰-陽極，真空系統(tǒng)對放電腔抽真空后，注入工作氣體，等離子體放電脈 沖發(fā)生器輸出的高電壓脈沖分別加在兩放電腔內(nèi)的陰-陽極之間，產(chǎn)生輝光放電，形成大面 積等離子體，覆蓋于晶體兩側(cè)。此時，開關(guān)脈沖發(fā)生器輸出的脈沖高壓被加在電光晶體兩側(cè)的等離子體上，在電場作用下，晶體產(chǎn)生雙折射，使通過晶體的線偏振光改變偏振方向。該 方案的特點是將普克爾盒的工作分為兩個過程，首先由等離子體脈沖發(fā)生器驅(qū)動放電腔中的 氣體放電，形成高電導率等離子體，然后，開關(guān)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的準矩形高壓脈沖通過等離 子體加在晶體兩側(cè)，使晶體產(chǎn)生雙折射。
另一種工作模式是單脈沖驅(qū)動(0PP)方式這種驅(qū)動方式中，每個放電腔內(nèi)只有一個 電極，工作時只需要在這兩個電極上分別加上正、負開關(guān)脈沖即可形成高電導率等離子體并 完成對晶體的充電。單脈沖驅(qū)動等離子體電極普克爾盒與傳統(tǒng)的等離子體電極普克爾盒相比 ，沒有獨立的大電流等離子體放電脈沖發(fā)生器，只是通過正、負開關(guān)脈沖實現(xiàn)對等離子體電 極電光開關(guān)的驅(qū)動，降低了驅(qū)動源的復(fù)雜性，并由于氣體電離時間由數(shù)十毫秒減少到數(shù)百納 秒，大量減少了放電電極濺射對開關(guān)晶體和光窗的污染，從而延長開關(guān)使用壽命。
名稱為"26cmX26cm口徑等離子體電極電光開關(guān)"的文章(Henesian MA and Goldhar J， Demonstration of electro-optical switching at the 26cmX26cm aperture using plasma electrodes, Optics Letters, 1984， 9 (11) : 516 518)以及名稱為"兆焦耳激 光裝置等離子體電極普克爾盒運作的簡單方法"的文章(J. Gardelle， E. Pasini， B. Bicrel， A new regime of plasma-electrode Pockels cell operation for the laser megajoules pro ject [R] ， Proceeding of IFSA， 2001， 510 513)分別公開了以上兩種工作 方式的等離子體電極普克爾盒，但是等離子體電極普克爾盒現(xiàn)有的兩種工作方式在高平均功 率應(yīng)用方面均有其局限性。傳統(tǒng)的等離子體電極普克爾盒(PEPC)工作模式下，大電流氣體 放電時間維持在幾十甚至上百毫秒，長時間的放電使得氣體離子不斷對放電陰極進行轟擊， 從而引起陰極溫度升高，進而加熱開關(guān)晶體，引起光學上的熱畸變，影響激光器的輸出。而 單脈沖驅(qū)動方式(0PP)，依靠的是正、負脈沖高壓引起工作氣體場致?lián)舸?，從而形成高?導率等離子體并對普克爾盒充電，因此使用的是具有較高半波電壓的KDP晶體，這種工作方 式的優(yōu)點是放電電流小，不會造成電極溫度的升高，但KDP晶體具有較大的光吸收系數(shù)( 6 %cm—4 ，熱畸變明顯，不適宜在高平均功率條件下應(yīng)用。DKDP晶體的光吸收系數(shù)比KDP晶 體小一個量級，可以應(yīng)用在高平均功率條件下，但DKDP晶體半波電壓較低，在此電壓作用下 放電腔內(nèi)氣體的擊穿不穩(wěn)定，難以形成有效的高電導率等離子體，從而難以達到較高的開關(guān) 效率。
發(fā)明內(nèi)容
為了解決已有技術(shù)中DKDP晶體等離子體電極普克爾盒在半波電壓下的擊穿穩(wěn)定性問題， 本實用新型提供一種單一脈沖驅(qū)動的DKDP晶體等離子體電極普克爾盒。一種單一脈沖驅(qū)動的DKDP晶體等離子體電極普克爾盒，包含普克爾盒殼體、普克爾盒中 部用于鑲嵌DKDP晶體的方孔、放電腔、環(huán)狀放電電極、電極連桿、進氣嘴、抽氣嘴、光窗。 普克爾盒殼體采用整塊玻璃制成，整個普克爾盒以及放電腔均為圓柱形。在殼體中部設(shè)置有 用于鑲嵌DKDP晶體的方孔，DKDP晶體粘接鑲嵌在普克爾盒殼體中的方孔內(nèi)，DKDP晶體的兩個 面上分別設(shè)置有一個放電腔，每個放電腔外均設(shè)置有一個光窗，兩個電極連桿即第一電極連 桿和第二電極連桿均粘接固定在普克爾盒殼體上，兩個環(huán)狀放電電極分別設(shè)置在兩個放電腔 內(nèi)，并分別與第一電極連桿和第二電極連桿的內(nèi)端連接；在普克爾盒殼體上還設(shè)置有兩個進 氣嘴、兩個抽氣嘴，每個放電腔均與一個進氣嘴和一個抽氣嘴連通。其特點是，所述的普克 爾盒還設(shè)置有無感電容器，無感電容器的一端與第一電極連桿的外端連接，無感電容器的另 一端與脈沖發(fā)生器負載電阻高壓端連接，第二電極連桿的外端與脈沖發(fā)生器負載電阻低壓端 連接并接地。
所述的光窗的直徑與厚度之比小于10: 1。
本實用新型利用普克爾盒放電腔擊穿前后等效電容可變的特點，采用電容分壓原理，在 普克爾盒上串聯(lián)無感電容器，使得在一個脈沖過程中，既可以通過較高的脈沖電壓獲得穩(wěn)定 的氣體擊穿，又可以而在氣體擊穿后，使普克爾盒穩(wěn)定工作在DKDP的半波電壓點上。實現(xiàn)對 普克爾盒兩端電壓的分時控制，保證普克爾盒的穩(wěn)定擊穿和較高的開關(guān)效率。
本實用新型的單一脈沖驅(qū)動的DKDP晶體等離子體電極普克爾盒具有口徑大、放電電流小 、光吸收系數(shù)低、擊穿穩(wěn)定等特點，可以用于大口徑高平均功率激光器的調(diào)Q和級間隔離。
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步說明


圖1為本實用新型的單一脈沖驅(qū)動的DKDP晶體等離子體電極普克爾盒的實施例剖面示意
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圖2為本實用新型的單一脈沖驅(qū)動的DKDP晶體等離子體電極普克爾盒的實施例的俯視圖 圖3為本實用新型單一脈沖驅(qū)動的DKDP晶體等離子體電極普克爾盒電容分壓的電路原理
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圖4為本實用新型單一脈沖驅(qū)動的DKDP晶體等離子體電極普克爾盒經(jīng)過電容分壓后該普 克爾盒兩端獲得的整形脈沖的電壓波形
圖中，l.普克爾盒殼體 2.晶體 11.方孔 放電電極(3、 13)光窗(4、 14) 進氣嘴(5、 15)抽氣嘴(6、 16)7.第一電極連桿 17.第二電極連桿 放電腔(30、 40)
具體實施方式
在圖1 2中，本實用新型的單一脈沖驅(qū)動的DKDP等離子體電極普克爾盒，包括普克爾盒 殼體1、 DKDP晶體2、普克爾盒中部用于鑲嵌DKDP晶體的方孔ll、放電腔(30、 40)、放電 電極(3、 13)、光窗(4、 14)、進氣嘴(5、 15)、抽氣嘴(6、 16)、第一電極連桿7和 第二電極連桿17、還包括無感電容器。普克爾盒殼體l采用整塊玻璃制成，普克爾盒殼體l以 及放電腔(30、 40)均為呈圓柱形。DKDP晶體通過硅膠粘接鑲嵌在普克爾盒殼體1中部方孔 11內(nèi)；DKDP晶體的兩側(cè)面分別設(shè)置有放電腔30和放電腔40;放電腔30外設(shè)置有光窗4，放電 腔40外設(shè)置有光窗14;放電腔30內(nèi)設(shè)置有放電電極3，放電腔40內(nèi)設(shè)置有放電電極13;第一 電極連桿7和第二電極連桿17分別固定在普克爾盒殼體1上，放電電極3與第一電極連桿7內(nèi)端 連接，放電電極13與第二電極連桿17內(nèi)端連接，第一電極連桿7外端與無感電容器的一端連 接，無感電容器的另一端與脈沖發(fā)生器負載電阻高壓端連接，第二電極連桿17外端與脈沖發(fā) 生器負載電阻低壓輸端連接并接地；進氣嘴(5、 15)、抽氣嘴(6、 16)分別設(shè)置在普克爾 盒殼體l上的四個小孔內(nèi)，進氣嘴5和抽氣嘴6與放電腔30連接，進氣嘴15和抽氣嘴16與放電 腔40連接。
本實施例中，所述的光窗(4、 14)與殼體1之間、DKDP晶體2與殼體1之間進行封接的材 料均為硅膠。
所述的進氣嘴(5、 15)，抽氣嘴(6、 16)，第一電極連桿7、第二電極連桿17與殼體1 之間進行封接的材料均為環(huán)氧樹脂。
所述的光窗(4、 14)厚度大，光窗(4、 14)的直徑與厚度之比小于10: 1，在一個大 氣壓(latm)作用下，光窗(4、 14)形變小。
圖2中本實用新型的進氣嘴5與進氣嘴15、抽氣嘴6與抽氣嘴16之間分別存在較小夾角， 是為增加絕緣距離。
本實用新型中的放電電極為環(huán)狀，內(nèi)側(cè)鑲嵌若干尖銳放電針，放電針采用逸出功較低的 鈰鎢合金材料制成。
圖3為本實用新型的電容分壓電路原理圖，普克爾盒在擊穿前后，其電容Cpc可變。 圖4為本實用新型的實際效果圖，圖中曲線即為經(jīng)過電容分壓后，在普克爾盒兩電極連
桿第一電極連桿7和第二電極連桿17上測得的整形后的電壓波形。
本實用新型的單一脈沖驅(qū)動的DKDP晶體等離子體電極普克爾盒的工作過程如下進氣嘴 (5、 15)連接氖氣充氣系統(tǒng)，抽氣嘴(6、 16)接真空機組，密閉的放電腔(30、 40)在氖
氣充氣系統(tǒng)、真空機組作用下處于數(shù)千帕斯卡的動態(tài)平衡氣壓下。放電腔(30、 40)內(nèi)的一對放電電極(3、 13)分別連接第一電極連桿7和第二電極連桿17的內(nèi)端，第一電極連桿7的 外端連接無感電容器的一端，無感電容器另一端接脈沖發(fā)生器負載電阻高壓端，第二電極連 桿17的外端與開關(guān)脈沖發(fā)生器負載電阻低壓端連接并接地。開關(guān)脈沖發(fā)生器輸出的電壓高于 工作氣體擊穿電壓，當開關(guān)脈沖剛剛到來時，普克爾盒內(nèi)工作氣體還沒有來得及被擊穿，此 時普克爾盒的等效電容值遠小于串聯(lián)的無感電容值，因此大部分開關(guān)脈沖電壓加在了普克爾 盒放電電極(3、 13)上，從而導致普克爾盒內(nèi)工作氣體被擊穿，高電導率的等離子體在放 電腔(30、 40)內(nèi)形成，覆蓋在DKDP晶體兩側(cè)。隨著等離子體的形成，普克爾盒等效電容值 增大，普克爾盒兩端分得的開關(guān)脈沖電壓減小，通過串聯(lián)合適合適電容值的無感電容器可以 保證普克爾盒兩端最終分得的電壓能夠保持在DKDP晶體的半波電壓值，從而實現(xiàn)將通過DKDP 晶體的線偏振光的偏振態(tài)偏轉(zhuǎn)90 °。
權(quán)利要求1.一種單一脈沖驅(qū)動的DKDP晶體等離子體電極普克爾盒，在所述的普克爾盒的殼體(1)中部設(shè)置有用于鑲嵌DKDP晶體的方孔(11)；DKDP晶體(2)粘接鑲嵌在普克爾盒殼體(1)中的方孔(11)內(nèi)，DKDP晶體的兩個面上分別設(shè)置有放電腔(30、40)，在放電腔(30)外設(shè)置有光窗(4)，在放電腔(40)外設(shè)置有光窗(14)；第一電極連桿(7)和第二電極連桿(17)分別固定在普克爾盒殼體(1)上，環(huán)狀放電電極(3、13)分別設(shè)置在放電腔(30、40)內(nèi)，并分別與第一電極連桿(7)和第二電極連桿(17)的內(nèi)端連接；在普克爾盒殼體(1)上設(shè)置有進氣嘴(5、15)、抽氣嘴(6、16)，進氣嘴(5)和抽氣嘴(6)與放電腔(30)連接，進氣嘴(15)和抽氣嘴(16)與放電腔(40)連接；其特征在于所述的普克爾盒還設(shè)置有無感電容器，其連接關(guān)系是，無感電容器的一端與第一電極連桿(7)外端連接，無感電容器的另一端與脈沖發(fā)生器負載電阻高壓端連接，第二電極連桿(17)外端與脈沖發(fā)生器負載電阻低壓端連接并接地。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單一脈沖驅(qū)動的DKDP晶體等離子體電極普克 爾盒，其特征在于所述的光窗(4、 14)的直徑與厚度之比小于10: 1。
專利摘要本實用新型提供了一種單一脈沖驅(qū)動的DKDP晶體等離子體電極普克爾盒。所述的單一脈沖驅(qū)動的DKDP晶體等離子體電極普克爾盒中設(shè)置了無感電容器，實現(xiàn)了在單一高壓開關(guān)脈沖驅(qū)動下DKDP晶體的普克爾效應(yīng)。本實用新型的單一脈沖驅(qū)動的DKDP晶體等離子體電極普克爾盒放電電流小、口徑大、光吸收系數(shù)低、擊穿穩(wěn)定，可用于大口徑高平均功率激光器的調(diào)Q和級間隔離。
文檔編號H01S3/10GK201430339SQ20092030567
公開日2010年3月24日 申請日期2009年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月6日
發(fā)明者吳登生, 君 張, 張雄軍, 田曉琳, 云 董, 鄭建剛 申請人:中國工程物理研究院激光聚變研究中心