1.適合用壓電陶瓷進行調(diào)諧的激光器
激光器是利用受激輻射方法產(chǎn)生可見光或不可見光的一種器件,構(gòu)造復雜,技術(shù)壁壘較高,是大量光學材料和元器件組成的綜合系統(tǒng),居于整個激光產(chǎn)業(yè)鏈的核心中樞位置,主要由光學系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和機械機構(gòu)四個部分組成,其中光學系統(tǒng)主要由泵浦源(激勵源)、增益介質(zhì)(工作物質(zhì))和諧振腔等光學器件材料組成。作為終端設備的核心光學系統(tǒng),激光器的性能往往直接決定激光設備輸出光束的質(zhì)量和功率,是下游激光設備最核心的部件。
泵浦源(激勵源)為增益介質(zhì)提供能量激勵。增益介質(zhì)受激后產(chǎn)生光子從而生成并放大激光。諧振腔是光子特性(頻率、相位和運行方向)的調(diào)節(jié)場所,通過控制腔內(nèi)光子振蕩來獲得高質(zhì)量的輸出光源。
資料來源: 0SA 理事長 (斯坦福) 給美國白宮科學技術(shù)政策辦公室關(guān)于激光對美國就業(yè)、經(jīng)濟貢獻的報告 (2010),中郵證券研究所
壓電陶瓷(PZT)因其獨特的正逆壓電效應,被廣泛應用于各種激光器的調(diào)諧中。以下是幾種適合使用壓電陶瓷進行調(diào)諧的激光器類型:
可調(diào)諧光纖激光器:對于體積較小的可調(diào)諧光纖激光器,可以選用片狀或疊堆式PZT壓電陶瓷,其調(diào)諧范圍約為3.3微米。此外,通過將壓電陶瓷與光纖光柵激光器的布拉格光柵粘結(jié),并調(diào)整驅(qū)動電壓來實現(xiàn)波長的調(diào)諧。
環(huán)形腔光纖激光器:利用壓電陶瓷驅(qū)動器,可以通過改變光纖光柵的長度來調(diào)節(jié)環(huán)形腔光纖激光器的出射波長,從而達到調(diào)諧的目的。
外腔半導體激光器:基于Littrow結(jié)構(gòu)的外腔半導體激光器可以通過壓電陶瓷實現(xiàn)快速連續(xù)的波長調(diào)諧,調(diào)諧范圍在10~20 GHz之間。此外,利用飛秒光頻梳和法布里-珀羅干涉儀建立的亞納米級閉環(huán)位移控制系統(tǒng)也能實現(xiàn)高精度的調(diào)諧。
單縱模DBR光纖激光器:基于壓電陶瓷拉伸機構(gòu)的單縱模DBR光纖激光器能夠有效緩解頻率調(diào)諧過程中的跳?,F(xiàn)象,獲得更寬的無跳模頻率調(diào)諧范圍。
倍頻激光器:例如,在1560nm激光器的倍頻研究中,通過掃描壓電陶瓷電壓,可以對780nm倍頻光頻率實現(xiàn)至少10GHz的連續(xù)調(diào)諧。
2.利用壓電陶瓷如何實現(xiàn)激光調(diào)諧
壓電陶瓷在激光器諧振腔中的位置和作用主要體現(xiàn)在其對諧振腔長度的精確控制上。具體來說,壓電陶瓷通過微小形變來調(diào)節(jié)激光諧振腔的長度,從而實現(xiàn)頻率的穩(wěn)定輸出。
壓電陶瓷通常被固定在諧振腔的一個鏡片上,例如反射鏡或透射鏡。在某些設計中,壓電陶瓷直接粘貼在反射鏡背面,以實現(xiàn)對腔長的微調(diào)。
當給壓電陶瓷施加電壓時,它會產(chǎn)生微小的形變。這種形變會導致諧振腔的長度發(fā)生微小變化,從而改變激光的頻率。通過調(diào)節(jié)施加在壓電陶瓷上的電壓,可以精確地控制諧振腔的長度,使激光頻率保持穩(wěn)定。
在基于Nd:YAG激光器的動態(tài)穩(wěn)定環(huán)形諧振腔設計中,利用壓電陶瓷控制腔鏡的位置來精確調(diào)節(jié)諧振腔的腔長,并實現(xiàn)了諧振頻率的調(diào)諧。此外,在一些高功率激光系統(tǒng)中,如倍頻系統(tǒng),也采用了類似的設計,通過壓電陶瓷控制腔長以獲得穩(wěn)定的綠光輸出。
實現(xiàn)這一功能的具體方法包括使用D/A卡輸出非等間隔控制電壓序列給壓電陶瓷驅(qū)動電源,使壓電陶瓷產(chǎn)生微小形變從而控制激光諧振腔長均勻變化。此外,還有基于單片機的閉環(huán)控制系統(tǒng),能夠自動尋找到激光器工作的最佳狀態(tài)并維持在該狀態(tài)。
3.如何選擇合適的壓電陶瓷
激光器對壓電陶瓷的要求和選擇涉及多個方面,包括其物理特性、精度要求以及與激光系統(tǒng)的兼容性等。以下是詳細的分析:
壓電陶瓷的微位移驅(qū)動原理是激光器腔長控制的基礎(chǔ)。通過調(diào)整壓電陶瓷的形變,可以精確控制激光諧振腔的長度,從而實現(xiàn)激光頻率的穩(wěn)定和調(diào)諧。
壓電陶瓷具有非常高的分辨率,這意味著在驅(qū)動電源的最小輸出信號下,壓電陶瓷能夠表現(xiàn)出極高的精度。這種高分辨率對于激光器的頻率調(diào)諧至關(guān)重要,因為需要非常細微的調(diào)整來達到所需的波長。
壓電陶瓷的工作溫度范圍通常在-25℃到130℃之間,這使得它能夠在多種環(huán)境條件下工作。此外,壓電陶瓷的驅(qū)動電壓可以從0V到150V不等,這為不同的激光系統(tǒng)提供了靈活性。
為了實現(xiàn)更精確的控制,許多激光器采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)包括單片機、壓電陶瓷驅(qū)動電源、信號采集及處理電路和顯示電路,能夠自動尋找到激光器工作的最佳狀態(tài)并維持在該狀態(tài)。例如,基于飛秒光頻梳的亞納米級閉環(huán)位移控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)半導體激光器在其工作頻率范圍內(nèi)的精密調(diào)諧。
4.為什么選擇隱冠壓電陶瓷?
隱冠半導體壓電部門專注于精密定位執(zhí)行器的研發(fā)、生產(chǎn)制造、銷售;是國內(nèi)壓電領(lǐng)域極少數(shù)擁有從壓電陶瓷材料到壓電陶瓷電機再到納米精度壓電運動臺全產(chǎn)品鏈研發(fā)與批量生產(chǎn)能力的高科技企業(yè),公司具有豐富的產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗。
公司具有豐富的產(chǎn)品規(guī)格和種類以匹配大范圍的調(diào)諧需求。公司可提供整套壓電陶瓷控制模組,可實現(xiàn)快速定位安裝和換型、拆裝及維護的方便靈活。
針對客戶的個性化集成需求,公司可以定制封裝尺寸、電壓、行程、金屬端件等,以滿足機械剛度和穩(wěn)定性,以保證調(diào)諧系統(tǒng)的可靠性和長期運行效果。
同時公司針對客戶特定需求和具體應用場景,集成應變片實現(xiàn)閉環(huán)控制,并配置自研適配的驅(qū)控器,實現(xiàn)產(chǎn)品組合的技術(shù)和成本優(yōu)勢。