一种全封闭的双晶体电光调Q开关的制作方法

本发明涉及激光器技术领域，具体为一种全封闭的双晶体电光调Q开关。

背景技术：

电光调Q开关是激光器中一个非常重要的器件，用于调Q激光器、腔倒空激光器、再生放大器等，以获得高能量，窄脉宽的激光输出。其工作原理是利用电光晶体在外电场作用下折射率发生改变，从而改变入射光的偏振态，与偏振片配合实现光开关作用。

在传统的电光调Q开关中，使用最广泛的是DKDP晶体(磷酸二氘钾晶体)制作的纵向普克尔盒。但是随着工业激光器朝着能量更高方向发展，这种传统的开关暴露出其结构的固有缺点：在超过35W的高功率下存在严重热致双折射效应，容易引起热退偏及波前畸变。

对调Q开关进行热补偿设计可以有效改善这一问题，其原理是采用两块尺寸几乎完全相同的晶体，二晶体的主轴绕光传播方向相对旋转90°串接排列，以抵消热致双折射效应。理想情况下，此结构所用的两块晶体的温度变化要时刻保持一致，才能保证调Q开关在高功率条件下的关断能力。

常见的热补偿电光调Q开关中，两块长方体晶体用导电银胶作为粘接剂固定于一具有一对正交平面的V型金属支架上，金属支架起固定晶体作用的同时还作为一侧电极，另一侧电极为一平面金属薄板，两侧电极各通过导线连接电源正负极。现有结构存在的缺点是：配对的两块晶体没有进行散热处理，高功率条件下两块晶体由于热吸收不完全相同，导致温度变化不一致，影响开关工作性能；晶体直接裸露在空气中，极易造成晶体端面污染，在高功率激光条件下容易导致晶体损坏；电极没有做绝缘处理，操作不当容易产生安全隐患。

技术实现要素：

本发明的目在于提出一种全封闭的双晶体电光调Q开关，2块电光晶体主轴相对旋转90°沿轴向排列，2个金属电极和2个绝缘的导热基座交错环绕2块电光晶体构成组合内壳，组合内壳封闭2块电光晶体，有效保护电光晶体的端面，紧定螺钉锁定组合内壳内的两块电光晶体，使电光调Q开关的消光能力达到最佳，关断性能更好；金属电极和导热基座能够进行有效散热，保持晶体温度稳定，降低调Q开关在高功率条件下工作时的热退偏及波前畸变。绝缘外壳封闭金属电极，保证操作安全。

本发明设计的一种全封闭的双晶体电光调Q开关，包括2块相同的电光晶体，金属电极和绝缘外壳，所述电光晶体为长方体，通光面为正方形，与光传播方向垂直；二晶体的主轴绕光传播方向相对旋转90°沿轴向排列，二者间隙为5mm～10mm。

所述电光晶体为双轴晶体或单轴晶体，如磷酸钛氧钾KTP(KTiOPO₄)或磷酸钛氧铷RTP(RbTiOPO₄)等双轴晶体，或者横向电光调制的磷酸二氢钾KDP或β相偏硼酸钡晶体BBO等单轴晶体。

所述每块电光晶体有相对的2个长方形侧面为有溅射金属导电层的导电面。

2个金属电极和2个绝缘的导热基座交错环绕电光晶体组成组合内壳，所述组合内壳轴向中心截面为正方形的通孔，此通孔与电光晶体的径向尺寸相配合。所述通孔的4个面为金属电极和导热基座上的晶体安装面，金属电极的晶体安装面与导热基座的晶体安装面交错。所述2块电光晶体沿组合内壳的通孔轴向排列，每块电光晶体的2个导电面各与一个金属电极的晶体安装面贴合接触，每块电光晶体的另外2个相对的长方形侧面与导热基座的晶体安装面贴合接触。

在组合内壳的前、后端面各有一环形的连接盖压在组合内壳的端面上，连接盖的中心线与电光晶体的中心线重合，其外径与组合内壳外径相同，其中心孔为台阶孔，光学窗口片嵌入连接盖中心孔大孔，置于其小孔的台阶上，小孔端压在组合内壳的端面上；连接盖经螺栓固定连接组合内壳的金属电极和导热基座。

所述连接盖中心孔的小孔直径等于或大于组合内壳通孔的内切圆直径，连接盖中心孔的大孔直径与光学窗口片外径相匹配，连接盖的大孔深度δ₁为光学窗口片厚度Δ的1/5至4/5。光学窗口片与光学晶体之间的间隙即小孔深度。光学窗口片厚(Δ-δ₁)的部分凸出于连接盖大孔端的端面。

绝缘外壳套在所述组合内壳外，二者为间隙配合。所述绝缘外壳的轴向长度与组合内壳长度及两个连接盖的厚度之和相匹配。绝缘外壳上有两个接线孔，与金属电极相连接的接线端子穿出绝缘外壳的接线孔和外接导线连接。

绝缘外壳的前、后端面各有一环形的端盖，其中心线与电光晶体的中心线重合，其外径与绝缘外壳的外径相同。所述端盖的中心孔为台阶孔，橡胶压环嵌入端盖大孔，抵于端盖小孔的台阶，螺栓固定连接端盖和绝缘外壳，压迫橡胶压环紧压光学窗口片封闭组合内壳的通孔，使组合内壳成为固定为一体的密封结构。

所述端盖1的中心孔的大孔直径与连接盖的大孔直径相等，端盖大孔深度δ₂大于2(Δ-δ₁)，端盖大孔端与连接盖相接。橡胶压环外径与端盖大孔相配合，橡胶压环的厚度Δ₁＝[δ₂-(Δ-δ₁)]×(1～1.2)。端盖小孔直径与连接盖小孔直径相等，其深度为3mm～7mm。

所述导热基座和金属电极的外侧面为部分圆柱侧面，所构成的组合内壳外侧面为圆柱面。

所述金属电极为铝合金电极，所述导热基座为氮化铝陶瓷基座，氮化铝陶瓷的导热系数与铝合金相近。

所述导热基座和金属电极的几何结构相同。均包括三部分：第一安装块、中间块和第二安装块，第一安装块有5个面，包括外端面，内端面，晶体安装面，互接面和外侧面各一个。内、外端面相互平行,为相同的部分圆面，且其圆弧边所对圆心角为π/2，外端面上有一个端面螺孔，其为盲螺孔，与连接盖上的安装孔相配合；晶体安装面为长方形，晶体安装面与内、外端面垂直连接，晶体安装面的轴向长度等于一块电光晶体的轴向长度；互接面为长方形，互接面与内、外端面垂直连接，与晶体安装面垂直连接；外侧面为部分圆柱侧面,所对圆心角为π/2，外侧面的直线边与互接面连接,两侧弧线边与内、外端面连接,外侧面与晶体安装面相对。第二安装块与第一安装块几何形状相同，二者经中间块连接，二安装块的内端面平行，中间块处于二安装块的内端面之间，中间块的轴向长度等于两块电光晶体的轴向间隙。二安装块的晶体安装面为正交平面，第二安装块的晶体安装面与第一安装块的互接面处于同一平面，二安装块的外侧面为同一圆柱侧面，轴向分别处于该圆柱的前后，径向处于相邻的两个象限。中间块的外侧面也为上述圆柱侧面的一部分，连接二安装块的外侧面。

金属电极外侧有接线端子孔，其为螺纹孔，接线端子旋入该孔与金属电极连接。该接线端子孔位于中间块外侧的凹槽内，以保护插入此孔的接线端子。

所述组合内壳为A金属电极、B导热基座、C金属电极和D导热基座依次环绕电光晶体、交错啮合组成组合内壳，A金属电极、B导热基座、C金属电极和D导热基座一端的外端面在径向各处于一个象限。前、后2个电光晶体的2个导电面分别称为M面和N面，电光晶体的另外2个相对的长方形侧面分别称为m面和n面。A金属电极的第一和第二安装块的晶体安装面分别与前、后电光晶体的M面贴合接触；B导热基座的第一和第二安装块的晶体安装面分别与前、后电光晶体的m面贴合接触，C金属电极的第一和第二安装块的晶体安装面分别与前、后电光晶体的N面贴合接触；D导热基座的第一和第二安装块的晶体安装面分别与前、后电光晶体的n面贴合接触。A金属电极、B导热基座、C金属电极和D导热基座共8个安装块的8个晶体安装面构成组合内壳，其轴向中心为截面正方形的通孔。且B导热基座、C金属电极、D导热基座和A金属电极的晶体安装面分别依次贴压于A金属电极、B导热基座、C金属电极和D导热基座的互接面上，A金属电极、B导热基座、C金属电极和D导热基座的外侧面拼合成一圆柱侧面，即组合内壳的外侧面。

在组合内壳前、后端，螺栓穿过连接盖的安装孔旋入其外端面，即A金属电极、B导热基座、C金属电极和D导热基座的外端面的端面螺孔，前、后端的2个连接盖固定连接组合内壳，使之不会松动。

金属电极和导热基座的两个安装块的外侧面上有2个通孔为紧定孔，紧定孔为垂直于晶体安装面的螺纹孔。8个紧定螺钉分别从2个导热基座的2个安装块的外侧面旋入，各紧定螺钉底端抵于2个电光晶体的m、n面；另外8个紧定螺钉分别从2个金属电极的2个安装块的外侧面旋入，各紧定螺钉底端抵于2个电光晶体的M、N面；16个紧定螺钉将金属电极和导热基座围绕的电光晶体牢牢锁定。

接线端子为连接导线的金属棒，金属棒底部有螺纹，金属棒顶部连接导线的一端，金属棒旋入金属电极的接线端子孔，导线另一端穿过绝缘外壳的接线孔，位于绝缘外壳外侧，便于与外接导线连接。

金属棒顶端有一压线孔，孔内安装弹簧片，导线一端直接插入压线孔，弹簧片压紧固定导线端头。

与现有技术相比，本发明一种全封闭的双晶体电光调Q开关的优点为：1、两块电光晶体封装在一个密封的组合内壳中，对晶体端面有效保护；2、绝缘外壳避免金属电极的高压击伤操作人员，确保使用安全；3、电光晶体的四个侧面被导热系数接近的金属电极和导热基座包覆，能够进行有效散热，保持两块电光晶体温度稳定，同时由于四个侧面散热均匀，改善晶体径向热梯度，降低本调Q开关在高功率条件下工作的热退偏及波前畸变。

附图说明

图1为本全封闭的双晶体电光调Q开关实施例整体结构分解示意图；

图2为图1中的组合内壳结构示意图；

图3为图2中金属电极端面投影视图；

图4为图2中金属电极侧面投影视图；

图5为本全封闭的双晶体电光调Q开关实施例纵剖面结构示意图；

图6为本全封闭的双晶体电光调Q开关实施例接线端子结构示意图。

图中标号为：

1、端盖，2、橡胶压环，3、光学窗口片，4、连接盖，5、电光晶体，6组合内壳，7、绝缘外壳，8、接线端子；51、前电光晶体，52、后电光晶体，61、金属电极，62、导热基座；611、第一安装块，612、中间块，613、第二安装块，614、端面螺孔，615、紧定螺孔，616、接线端子螺孔；81、金属棒，82、压线孔，83、弹簧片，84、导线。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

本全封闭的双晶体电光调Q开关实施例如图1所示，中心为2块相同的电光晶体5，本例电光晶体5为双轴晶体磷酸钛氧钾晶体KTP，二晶体的主轴绕光传播方向相对旋转90°沿轴向排列，本例二晶体的间隙为5mm。本例电光晶体5为长方体，通光面为正方形，与光传播方向垂直。每块电光晶体有相对的2个长方形侧面为有溅射金属导电层的导电面，分别称为M面和N面，电光晶体的另外2个相对的长方形侧面分别称为m面和n面。

2个金属电极61和2个绝缘的导热基座62交错环绕电光晶体5组成组合内壳6，如图2所示，A金属电极61、B导热基座62、C金属电极61和D导热基座62依次环绕电光晶体6、交错啮合组成组合内壳6。

本组合内壳6轴向中心截面为正方形的通孔，此通孔与电光晶体5的径向尺寸相配合。所述通孔的4个面为金属电极61和导热基座62上的晶体安装面，金属电极61的晶体安装面与导热基座62的晶体安装面交错。本例2块电光晶体5沿组合内壳的通孔轴向排列，每块电光晶体5的2个导电面——M面和N面，各与一个金属电极61的晶体安装面贴合接触，每块电光晶体5的另外2个相对的长方形侧面与导热基座62的晶体安装面——m面和n面贴合接触。

本例金属电极61为铝合金电极，导热基座62为氮化铝陶瓷基座。

本例导热基座62和金属电极61的几何结构相同。如图3和4所示均包括三部分：第一安装块611、中间块612和第二安装块613，第一安装块611有5个面，包括外端面，内端面，晶体安装面，互接面和外侧面各一个。内、外端面相互平行,为相同的部分圆面，且其圆弧边所对圆心角为π/2，外端面上有一个端面螺孔614，其为盲螺孔，与连接盖4上的安装孔相配合；晶体安装面为长方形，晶体安装面与内、外端面垂直连接，晶体安装面的轴向长度等于电光晶体5的轴向长度；互接面为长方形，互接面与内、外端面垂直连接，与晶体安装面垂直连接；外侧面为部分圆柱侧面,所对圆心角为π/2，外侧面的直线边与互接面连接,两侧弧线边与内、外端面连接,外侧面与晶体安装面相对。第二安装块613与第一安装块611几何形状相同，二者经中间块612连接，2个安装块611、613的内端面平行，中间块612处于二安装块611、613的内端面之间，中间块612的轴向长度等于两块电光晶体5的轴向间隙。二安装块611、613的晶体安装面为正交平面，第二安装块613的晶体安装面与第一安装块611的互接面处于同一平面，二安装块611、613的外侧面为同一圆柱侧面，轴向分别处于该圆柱的前后，径向处于相邻的两个象限。中间块612的外侧面也为上述圆柱侧面的一部分，连接二安装块611、613的外侧面。

本例金属电极61和导热基座61的两个安装块的外侧面上有2个通孔为紧定孔615，紧定孔615为垂直于晶体安装面的螺纹孔。8个紧定螺钉分别从2个导热基座62的2个安装块的外侧面旋入，各紧定螺钉底端抵于2个电光晶体5的m、n面；另外8个紧定螺钉分别从2个金属电极61的2个安装块的外侧面旋入，各紧定螺钉底端抵于2个电光晶体5的M、N面；16个紧定螺钉将金属电极61和导热基座62围绕的电光晶体5牢牢锁定。

金属电极61外侧有接线端子孔616，本例接线端子孔616位于中间块612外侧的凹槽内，其为螺纹孔，接线端子8旋入该孔与金属电极61连接。如图6所示，本例接线端子8为连接导线84的金属棒81，金属棒81底部有螺纹，顶端有一压线孔82，孔内安装弹簧片83，导线84的一端直接插入压线孔82，弹簧片83压紧固定导线84该端头，导线84另一端穿过绝缘外壳6的接线孔，与外接导线相连接。

如图2所示本例A金属电极、B导热基座、C金属电极和D导热基座一端的外端面在径向各处于一个象限。A金属电极61的第一安装块611的晶体安装面与前电光晶体51的M面贴合接触，A金属电极61的第二安装块613的晶体安装面与后电光晶体52的M面贴合接触；与此相类似，B导热基座62的第一和第二安装块的晶体安装面分别与前、后电光晶体51、52的m面贴合接触，C金属电极61的第一和第二安装块611、613的晶体安装面分别与前、后电光晶体51、52的N面贴合接触；D导热基座62的第一和第二安装块的晶体安装面分别与前、后电光晶体51、52的n面贴合接触。A金属电极、B导热基座、C金属电极和D导热基座共8个安装块的8个晶体安装面构成组合内壳6，轴向中心为截面正方形的通孔。B导热基座、C金属电极、D导热基座和A金属电极的晶体安装面分别依次贴压于A金属电极、B导热基座、C金属电极和D导热基座的互接面上，A金属电极、B导热基座、C金属电极和D导热基座的外侧面拼合成一圆柱侧面，即组合内壳6的外侧面。

如图1和5所示，在组合内壳6的前、后端面各有一环形的连接盖4压在组合内壳6的端面上，连接盖4经螺栓固定连接组合内壳6的金属电极61和导热基座62的端面螺孔614。连接盖4的中心线与电光晶体5的中心线重合，其外径与组合内壳6外径相同，其中心孔为台阶孔，小孔直径等于组合内壳6通孔的内切圆直径，小孔深度3mm，小孔端压在组合内壳6的端面上；连接盖4中心孔的大孔直径与光学窗口片3外径相匹配，连接盖4的大孔深度δ₁为光学窗口片3厚度Δ的3/4。光学窗口片3嵌入连接盖4中心孔大孔，置于其小孔的台阶上，光学窗口片3与光学晶体5之间的间隙即小孔深度3mm。光学窗口片3厚Δ/4的部分凸出于连接盖4大孔端的端面。

绝缘外壳7套在所述组合内壳6外，二者为间隙配合。本例绝缘外壳6的轴向长度等于组合内壳6长度及两个连接盖4的厚度之和。绝缘外壳7上有两个接线孔，接线端子8经二接线孔进入绝缘外壳7内，并旋入金属电极61的接线端子孔616，与金属电极61相连接。

绝缘外壳7的前、后端面各有一环形的端盖1，其中心线与电光晶体5的中心线重合。本例端盖1的中心孔为台阶孔，其大孔直径与连接盖的大孔直径相等，本例端盖1大孔深度δ₂为Δ/2，端盖1大孔端与连接盖4相接。橡胶压环2外径与端盖1大孔相配合，橡胶压环4的厚度Δ₁＝Δ/3。端盖1小孔直径与连接盖4小孔直径相等，其深度为5mm。橡胶压环4嵌入端盖1大孔，抵于端盖1小孔的台阶，螺栓固定连接端盖1和绝缘外壳7，压迫橡胶压环4紧压光学窗口片3封闭组合内壳6的通孔，使组合内壳6成为固定为一体的密封结构。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。