基于新型几何结构的二维声光Q开关设计与性能研究

文章来源于人工晶体学报，作者人工晶体学报

声光Q开关是激光调Q系统的核心器件，它基于声光效应和布拉格衍射原理，能够主动调节谐振腔内的Q因子，从而产生高能短脉冲，具有透过率高、开关速度快、关断能力强等优势，在激光打标、光刻、医疗手术、材料加工等领域得到了广泛应用。然而，传统基于直角三棱柱结构的二维声光Q开关在实际应用中存在一系列固有缺陷，包括回返声波干扰、衍射光斑畸变、调制波形出现台阶状畸变以及复杂的三面水冷结构带来的封装难度大、成本高等问题。

为解决上述问题，福建福晶科技股份有限公司与中国科学院福建物质结构研究所的联合团队提出了一种基于新型几何结构的二维声光Q开关设计方案，并在《人工晶体学报》2026年第4期发表了题为《基于新型几何结构的二维声光Q开关设计与性能研究》的研究论文（第一作者：许智宏；通信作者：王帅华）。作者通过重构声光晶体的几何形状，从根本上规避了回返声波对主工作区的干扰，同时简化了水冷结构，在保证高衍射效率和纯净调制波形的前提下，实现了器件的紧凑化与工艺的简化。          

论文题录

许智宏, 张雪封, 王城强, 王帅华, 吴少凡. 基于新型几何结构的二维声光Q开关设计与性能研究[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(4): 584-593.

XU Zhihong, ZHANG Xuefeng, WANG Chengqiang, WANG Shuaihua, WU Shaofan. Design and Performance Study of Two-Dimensional Acousto-Optic Q-Switch with New Geometric Structure[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2026, 55(4): 584-593.

//文章导读

传统结构采用直角三棱柱作为声光介质，两个换能器分别粘贴在垂直底面上。该结构的理想声波传播路径如图1(a)所示，但由于换能器安装定位及三棱柱加工角度的偏差（见图1(b)），换能器2产生的回返声波可能再次进入主工作区造成干扰。此外，声波从声源发出后呈发散形式传播，其声场旁瓣会给主工作区带来显著干扰（见图1(c)）。

图1　传统二维声光Q开关的声波路径。(a)理想情况；(b)因加工偏差导致的失效情况；(c)因声场旁瓣引起的失效情况

在此干扰下，最终输出的衍射光束会出现光斑错位（见图2(a)、(b)）。当两路换能器同时工作时，采集到的0级光位置的光信号波形会由标准的方波变成台阶状（见图2(c)），这与回返声场的瞬态干涉密切相关。

图2　传统二维声光Q开关的实际异常现象。(a)换能器1单独工作时的衍射光斑；(b)换能器2单独工作时的衍射光斑；(c)共同工作时的台阶状波形

针对上述问题，作者提出了基于新型几何结构的设计方案。新设计的核心优势在于确保声波首次正交后的每一次反射路径在空间上与主工作区完全错开，从而规避了空间上的重叠。如图3(a)所示，声波传播的反射主路径经过精心设计；图3(b)则进一步考虑了声发散特性下的实际路径。

图3　新型几何结构二维声光Q开关的声波路径设计。(a)声波传播的反射主路径；(b)考虑声发散特性的路径

在散热管理方面，传统结构采用复杂的三面水冷结构（见图4(a)，A、B、C为水冷块），而新结构仅需设置两个主要的水冷块D和E（见图4(b)），即可实现对器件的有效散热，同时为换能器处的电极引线布置提供了更充裕的操作空间。在整体封装尺寸上，传统结构外壳体积为195.4 cm3，而新设计外壳体积仅为142.1 cm3，实现了明显的紧凑化。

图4　二维声光Q开关的机械结构对比图。(a)传统结构；(b)新设计

从热仿真结果对比图（见图5）中可以看出，传统结构最高温度达55 ℃，新设计最高温度达70 ℃，这一趋势与后续实测结果定性相符。

图5　二维声光Q开关的热仿真对比图。(a)传统结构；(b)新设计

新型几何结构的二维声光Q开关选用具有高损伤阈值的熔融石英作为声光介质，以y-36°切割的铌酸锂晶片（见图6(a)）作为换能器材料，最终加工成的器件如图6(b)所示。

图6　新型几何结构二维声光Q开关的实物照片。(a)声光晶体；(b)器件

采用1064 nm连续光纤激光器作为光源，测试了两路换能器同时工作时的衍射效率随射频驱动功率的变化曲线（见图7）。当两路射频驱动功率均为14 W时，衍射效率已达到85.3%，表明器件已具备“关断”的基本能力。随着功率增加，衍射效率快速上升，在26 W时达到95.7%，在47 W时达到峰值98.5%。图7的插图展示了对应的衍射光斑分布，可以看出衍射光斑呈现规则的圆网格分布，未见传统结构中常见的错位畸变。

图7　新型几何结构二维声光Q开关的衍射效率曲线和衍射光斑分布

从二维声光Q开关的调制波形图（见图8）可以看出，在两路换能器同时工作且载入同等频率方波调制信号的条件下，上升沿和下降沿均极为陡峭（上升时间约307.7 ns、下降时间约774.8 ns），调制波形顶部平坦无明显畸变，有效验证了新设计在时空上对回返声波的有效隔离，解决了传统结构中常见的台阶状畸变问题。

图8　新型几何结构二维声光Q开关的调制波形图

从二维声光Q开关的阻抗曲线（见图9）结果可以看出，在中心频率27.12 MHz附近，阻抗曲线呈现平滑形态，阻抗值约为50.2 Ω，与射频工程中广泛采用的标准50 Ω特性阻抗相匹配，表明器件能够实现高效的功率传输。

图9　新型几何结构二维声光Q开关的阻抗曲线

从红外热成像结果（见图10）可以看出，在两路47 W射频驱动功率下，传统结构最高温度约54.4 ℃，新结构约69.7 ℃，两者相差约15.3 ℃。尽管新设计工作温度较高，但仍远低于熔融石英的典型软化温度（>1200 ℃）和铌酸锂的熔点（1223 ℃），在热力学上是安全的。

图10　二维声光Q开关的温度热成像对比图。(a)传统结构；(b)新设计

连续4 h老化测试结果如图11所示，器件温度在开机后约15 min达到热平衡，稳态温度维持在(71±1) ℃。在整个测试期间，衍射效率保持在97.5%~98.7%波动，标准偏差约为0.28，调制波形与初始状态相比无明显劣化，表明器件在长期工作中具有优异的稳定性。

图11　新型几何结构二维声光Q开关的长期稳定性测试结果。(a)晶体温度和调制波形；(b)衍射效率

结　论

本文系统分析了传统二维声光Q开关的固有缺陷，提出并验证了一种基于声波路径优化与结构简化的新型设计方案，并成功研制出基于熔融石英的高性能、高可靠性的二维声光Q开关。实验结果表明，新设计器件两路射频驱动功率均为47 W时，二维衍射效率达98.5%，衍射光斑呈规则网格分布，调制波形干净无畸变。热稳定性测试证实，尽管其散热效率较传统三面水冷结构有所妥协，导致工作温度升高约15.3 ℃，但优化后的双面水冷方案，使器件在长期连续工作中衍射效率与波形均保持稳定，性能未受影响。新设计通过重构晶体几何形状，从根本上提供了一条抑制回返声波干扰的普适性设计路径，其性能优势可推广至其他声光晶体材料体系，具有重要的参考价值。虽然对晶体加工精度要求更高，但可通过现有成熟的精密加工技术实现，且其带来的水冷系统与封装工艺简化，在整体上降低了制造成本与复杂度，为高性能声光器件的开发提供了新思路。