表面等離子體波調(diào)q開關(guān)

表面等離子體波調(diào)q開關(guān)

1受抑全內(nèi)反射q開關(guān)調(diào)q技術(shù)是一種獲得高到達(dá)功率光脈沖的激光技術(shù)。近十幾年來,受抑全內(nèi)反射(FTIR)調(diào)Q技術(shù)正越來越受到人們的重視。受抑全內(nèi)反射Q開關(guān)有諸多優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療外科、軍事、精密測量等領(lǐng)域受抑全內(nèi)反射Q開關(guān)的反射率特性曲線(如圖1所示)表明,只有當(dāng)兩個棱鏡的間距為0.1λ左右時,Q開關(guān)方能充分地閉合。實際應(yīng)用中,這個間距難以達(dá)到(尤其對于較短波長的激光器),所以不能達(dá)到很高的調(diào)制深度。為了克服這個缺點,我們提出了表面等離子體波Q開關(guān)的新方法。2q流表面處理的原理2.1玻璃/金屬膜/電介質(zhì)界面金屬自由電子可看作是高密度的電子液體(等離子體),發(fā)生在這種等離子體表面的起伏稱為表面等離子體波(SPW)。p偏振單色光通過玻璃棱鏡入射到玻璃/金屬膜/電介質(zhì)界面上,如果入射角大于全反射的臨界角,入射光被強(qiáng)烈反射,只有一小部分衰逝波滲透進(jìn)金屬膜。對于一特定入射角,衰逝波平行于金屬/電介質(zhì)界面的分量與表面等離子體波的波矢完全匹配,兩種電磁波模式會強(qiáng)烈地耦合,導(dǎo)致入射光到表面等離子體波的能量共振轉(zhuǎn)移,反射光強(qiáng)度顯著降低。表面等離子體波在表面非線性光學(xué)檢測、表面膜層特性研究以及表面生物、物理、化學(xué)傳感器等研究領(lǐng)域已經(jīng)得到了應(yīng)用。2.2空氣與金屬基片的表面等離子體波q開關(guān)根據(jù)表面等離子體的激發(fā)條件,有所謂Otto結(jié)構(gòu)和Kretschmann結(jié)構(gòu)。Kretschmann結(jié)構(gòu)從入射面開始,按“棱鏡-金屬-空氣”排列,如作Q開關(guān),激光脈沖容易對金屬膜造成損傷;而Otto結(jié)構(gòu)從入射面開始,按“棱鏡-空氣-金屬”排列,不用鍍金屬膜的表面作反射面,不容易造成激光損傷,所以我們采用Otto結(jié)構(gòu)設(shè)計表面等離子體波Q開關(guān)?？紤]單層空氣膜,金屬設(shè)為無限厚(金屬膜只要足夠厚就可以激發(fā)表面等離子體波)。由膜系的特征矩陣,可以得到空氣膜與金屬基片的組合導(dǎo)納:Y=iη1sinδ1+η2cosδ1cosδ1+i(η2/η1)sinδ1,(1)δ1=2πλN1d1cosθ1,(2)Y=iη1sinδ1+η2cosδ1cosδ1+i(η2/η1)sinδ1,(1)δ1=2πλΝ1d1cosθ1,(2)下標(biāo)0代表玻璃,1代表空氣,2代表金屬;λ為真空中入射光波長,d1為空氣間隙,θ0為入射角,θ1為折射率,θ2由折射定律導(dǎo)出,為復(fù)數(shù);Nj(j=0,1,2)為復(fù)折射率,ηj為有效導(dǎo)納,由于只有p波才能激發(fā)表面等離子體波,ηj=Nj/cosθj。反射率為:R=∣∣η0?Yη0+Y∣∣2.(3)R=|η0-Yη0+Y|2.(3)2.3最佳入射角和最佳空氣間隙d的確定對于波長1.064μm,選取不同的參數(shù);對Au、Ag、Al三種情況,用數(shù)值求解方法可求出Otto結(jié)構(gòu)中反射率與入射角、空氣間隙的關(guān)系。反射率隨入射角和空氣間隙的關(guān)系比較復(fù)雜。首先確定激光的入射角,使得以此角度入射的激光,在某個確定的空氣間隙有最小反射率。稱此入射角和此空氣間隙為最佳入射角和最佳空氣間隙。對Au、Ag、Al三種情況,分別求得最佳入射角θ和最佳空氣間隙d的值為:Au:θ=44.12°,d=1.85μm;Ag:θ=44.23°,d=1.87μm;Al:θ=43.65°,d=1.46μm.Au:θ=44.12°,d=1.85μm;Ag:θ=44.23°,d=1.87μm;Al:θ=43.65°,d=1.46μm.以最佳入射角入射,作出反射率隨空氣間隙變化的曲線,如圖2所示。反射率最小值都出現(xiàn)在間隙為1μm～2μm的范圍內(nèi),Q開關(guān)工作區(qū)可選在d大于該值的區(qū)域,這使得兩棱鏡無需靠得很近,就可以獲得較高的調(diào)制深度。對于其它波長,反射率隨空氣間隙變化的曲線形狀基本相似,但反射率最低點會水平移動。例如對0.6328μm,反射率最低點對應(yīng)空氣間隙約為0.65μm(對Al而言)。另外,最佳入射角、最小反射率也都會因波長不同而有變化。2.4表面等離子體q開關(guān)表面等離子體Q開關(guān)與受抑全內(nèi)反射Q開關(guān)相比,空氣間隙較大就可以獲得較好的調(diào)制效果。這就彌補(bǔ)了受抑全內(nèi)反射Q開關(guān)不適用于短波長激光器的缺陷,另外,表面等離子體Q開關(guān)更容易調(diào)節(jié)兩棱鏡的初始間距。當(dāng)然,表面等離子體Q開關(guān)也存在著一些缺陷。如:只有p偏振波才能激發(fā)表面等離子體波,所以激光腔內(nèi)需插入一偏振片;激光的腔內(nèi)功率密度不能太高,否則有可能損傷金屬膜,所以比較適用于二極管抽運的中、小功率全固化激光器。3表面等離子體q開關(guān)工作原理圖3為用632.8nm的He-Ne激光測得的表面等離子體Q開關(guān)45°入射時反射率隨空氣間隙d的關(guān)系,為保護(hù)鋁膜,在未鍍膜棱鏡的表面兩端各貼了一層很薄的聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)光刻膠,所以實驗曲線沒有反映d小于0.1μm時的反射率?？梢钥吹?實驗曲線與理論計算曲線形狀基本一致,確實可以在較大空氣間隙時利用這類器件作為Q開關(guān)。圖4為表面等離子體Q開關(guān)在壓電陶瓷驅(qū)動下的動態(tài)特性曲線。下方的曲線為壓電陶瓷脈沖驅(qū)動電源的信號(電壓為300V,已衰減10倍),上方的曲線為Q開關(guān)反射率隨時間變化的信號?？梢钥闯?由于聲波在石英中傳輸需一定時間,反射率信號較電源信號有一定的時間滯后;Q開關(guān)上升沿時間約為2.0μs,并在打開狀態(tài)維持10μs左右,加大電源電壓,上升沿基本不變,其原因可能是壓電陶瓷的中心響應(yīng)頻率所致。上述動態(tài)特性曲線與普通受抑全內(nèi)反射Q開關(guān)的同類曲線相似,可用于激光器中作為調(diào)Q器件。結(jié)論提出了表面等離子體波Q開關(guān),闡述了表面等離