高衍射效率声光调制器的设计与实现

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0233

摘要/Abstract

摘要： 本文系统设计、制备和验证了一款具有高衍射效率、大孔径的声光调制器（AOM），该AOM的工作波长设计为1 064 nm，有效孔径为10 mm，工作中心频率为80 MHz，并选用低吸收石英作为声光介质，高效铌酸锂作为压电换能器。同时，本文完成优化设计及键合工艺，结合压块贴片导热、导电方案，实现了98.4%的衍射效率，该AOM同时具备优秀的光束质量和光束指向稳定性。本研究为高功率激光应用提供了关键的高性能光学器件。

关键词: 衍射效率; 声光调制器; 声光介质; 石英晶体; 压电换能器; 铌酸锂; 压块贴片导热

Abstract: This paper introduces an acousto-optic modulator （AOM） featuring high diffraction efficiency and a large aperture. The AOM is designed for operation at 1 064 nm， with an effective aperture of 10 mm and a center operating frequency of 80 MHz. Low-absorption quartz was selected as the acousto-optic medium， while high-efficiency lithium niobate served as the piezoelectric transducer. Through optimized design and bonding processes， combined with a heat-conductive and electrically conductive heat dissipation solution utilizing a pressure block and adhesive pad， a diffraction efficiency of 98.4% was achieved. This AOM simultaneously exhibits excellent outstanding beam quality and high beam pointing stability. The research provides a critical high-performance optical component for high-power laser applications.

Key words: diffraction efficiency; acousto-optic modulator; acousto-optic medium; quartz crystal; piezoelectric transducer; lithium niobate; pressure block patch thermal conduction

中图分类号:

O734

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图/表 14

图1 AOM布拉格衍射图

Fig.1 Bragg diffraction pattern of AOM

图2 AOM理论效率曲线

Fig.2 Theoretical efficiency curve of AOM

图3 AOM结构拆解图

Fig.3 AOM structure disassembly diagram

图4 仿真热分布情况。（a）常规结构的5 min的热量分布；（b）常规结构稳态晶体内部温度（T）分布；（c）压块贴片结构的5 min的热量分布；（d）压块贴片结构的稳态晶体内部温度分布

Fig.4 Simulated thermal distribution. （a） 5 min heat distribution of the conventional structure；（b） steady-state internal temperature （T） distribution of the conventional structure；（c） 5 min heat distribution of the pressed block patch structure；（d） steady-state internal temperature distribution of the pressed block patch structure

图5 AOM制备工艺流程示意图

Fig.5 Schematic diagram of the AOM process flow

图6 压电换能器结构（a）及换能器键合界面的图像（b）

Fig.6 Structure of piezoelectric transducer （a） and image of transducer bonding interface （b）

图7 AOM结构示意图

Fig.7 Structure diagram of AOM

图8 AOM性能测试系统示意图

Fig.8 Schematic diagram of AOM performance testing system

图9 常规结构与压块贴片结构AOM衍射效率对比曲线

Fig.9 Comparison of diffraction efficiency between conventional and pressed block patch structure AOM

图10 实测温度对比图

Fig.10 Comparison diagram of measured temperatures

图11 衍射效率长期稳定性测试结果

Fig.11 Test results for long-term stability of diffraction efficiency

图12 衍射光束的M2因子测量。（a）入射光测试结果；（b）衍射光测试结果

Fig.12 Measurement of the M2 factor for the diffracted beam. （a） test results for the incident beam；（b） test results for the diffracted beam

图13 光束指向波动测试结果。（a）入射光测试结果；（b）衍射光测试结果

Fig.13 Beam directionality wavefront test results. （a） Incident light test results；（b） diffracted light test results

表1 指向测试数据分析的结果

Table 1 Analysis results of beam pointing stability data

参数	入射光		衍射光
参数	X方向	Y方向	X方向	Y方向
平均偏移量Δ	4.27	12.07	3.96	14.7
偏移量标准差σ	3.95	12.31	2.9	11.17

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