调制光束的最佳方式是什么——AOM 还是 EOM？

当今市场上的激光光束调制器产品种类繁多，要从性能、成本和可靠性等方面选择一款合适的产品，尤其是对于那些不熟悉相关技术的人来说，可能是一件令人望而生畏的事情。

在这里，您将了解到两种最常见调制器技术的基本工作原理。您将获得如何理解产品规格的明确指导，并学会识别适合您特定需求的产品。

快速激光调制的必要性

自激光诞生之初，光束强度必须快速变化或调制的应用就已经出现。对调制应用进行分类的一种方法是根据这一过程发生在系统的哪个位置。具体来说，调制可以发生在激光腔内（腔内），也可以发生在激光腔外光学系统中的某处（腔外）。

腔内调制的例子包括 Q 开关、锁模和腔倒空。在这种情况下，调制器打开和关闭光束，使存储的增益（功率）迅速释放。与激光器外部的调制器相比，这种方法产生的激光输出峰值功率高得多，脉宽也短得多。利用这种方法，平均功率为几瓦的锁模激光器可以通过将脉宽限制在几飞秒来接近太瓦的峰值脉冲功率。

腔外调制器本质上只是开关，可以打开或关闭光束，或改变光束强度。但这些并不会影响激光本身的特性。其应用范围从工业材料加工、共焦显微镜和多光子显微镜中的科学用途，到眼科手术等医疗应用。调制器还可用于脉冲选取。在这种情况下，调制器从快速脉冲流中挑选出单脉冲或脉冲串进行后续放大。脉冲拾取可用于科学和工业超快激光系统。

调制器技术

早期的激光调制尝试基于机械或电子机械方法，例如快门或快速倾斜振镜，但这些方法在许多应用中速度根本不够快。因此，最终开发出了两种截然不同的快速调制器技术：电光调制器（EOM）和声光调制器（AOM）。

电光调制器（通常称为普克尔盒）以晶体为基础，可根据外加的电信号旋转输入线性偏振激光的偏振面。当晶体的输出端与固定线性偏振片相结合时，就会产生激光光束强度的调制。包括 BBO、KD*P 和 CdTe 在内的许多晶体都支持这种被称为普克尔斯效应的电光效应。这些晶体可配置成多种不同的工作方式：如上所述的强度调制器，或可变偏振旋转器。

在 EOM 中，外加电压可旋转入射光的偏振。偏振器可通过或阻挡光束，从而调节光强。

AOM 实际上是一个可变光束偏转装置。它将一个压电换能器粘接在透明材料（如各种玻璃、石英、TeO2和 Ge）的一侧。当以无线电频率驱动时，压电换能器会在晶体内产生声（或声波）波，从而使材料折射率产生移动的周期性变化。这就像材料中的布拉格衍射光栅一样，使输入设备的激光束以适当的角度发生偏转。根据不同的配置，多达 90% 的入射功率可被导入布拉格光栅的一阶。在大多数应用中，一阶光束会通过一个孔，阻挡未偏转（0 阶）光束。通过改变应用的射频信号可实现调制。也可以将 AOM 配置为通过未偏折光束。这样可以提供更大的总功率。但对比度（消光）或调制深度较低，因为该光束中总会有一些剩余功率。

在 AOM 中，压电换能器在材料中产生布拉格光栅。光圈只允许衍射光束通过。

技术比对

对于大多数应用而言，在 EOM 和 AOM 之间做出选择时，要考虑几个关键的性能和成本因素。由于 AOM 通常成本较低，除非应用对 EOM 的某项关键优势有迫切需求，否则应首先选择 AOM。与 AOM 相比，EOM 具有更大的光圈、高功率和脉冲能量兼容性、极高的对比度和快速的上升时间。相反，AOM 的调制速度要高得多。下表总结了一些最重要的参数及其典型值。

速度/上升时间

调制器的时间性能由两个完全不同的参数决定：上升时间和调制频率。上升时间是指器件从关闭状态过渡到打开状态所需的时间。通常的惯例是指定从 10% 开启状态到 90% 开启状态的上升时间。EOM 本身速度很快，上升时间小于 1 ns。一旦施加电场，器件状态就会切换。AOM 的上升时间通常较慢。这是因为换能器开始振动和声波完全通过晶体传播都需要时间。因此，上升时间与尺寸（孔径）有关；从亚毫米孔径的 10-20ns到大于 2 mm孔径的 >100 ns不等。

调制频率

另一个参数是调制速度或调制频率--重复开关的速度。AOM 在模拟和数字模式下都可以轻松地以高达几十兆赫的速率运行。然而，EOM 的调制速度通常较慢，而且经常受到驱动器速度的限制。具体来说，这是因为产生 90° 偏振旋转需要相当大的电压（千伏）。由于难以快速切换如此高的电压，EOM 应用基本上是以反向模式运行--将高电压降至地，以获得最快的上升时间。如今，G&H 的 EOM 驱动器采用高速数字控制器和精确匹配的模拟阻抗，可在两种工作模式下快速运行。我们的大多数 EOM 工作频率可达几十 kHz。我们的 Chiron 系列普克尔盒产品经过优化，可在较低的电压下工作，因此频率可达 1 MHz。

孔径/光束尺寸

调制器的孔径是其可容纳的最大光束直径。通常情况下，G&H 建议使用孔径为光束直径三倍（1/e²）的调制器（1% 功率点），以避免光束削波。大多数商用可见光激光器的输出光束直径都小于 2 mm，腔体内的光束腰甚至可以更小。因此，大多数 G&H AOM 的孔径都小于 2.5 mm。这使它们能够支持短上升时间和高调制频率。

调制器上升时间和调制周期的定义

我们还为光纤耦合声光调制器提供较小孔径的器件，以及与红外激光器（如 CO2）配合使用的较大孔径器件，后者通常具有较大的光束直径，通常可以承受较慢的上升时间。这里的上升时间以 ns/mm 孔径为单位。相比之下，EOM 的孔径要大得多，标准型号的直径从 2.5 mm到 100 mm不等，甚至更大。虽然增大孔径对上升时间的影响不大，但直径更大的 EOM 成本更高。我们最新推出的基于 KD*P 的 TX 系列 EOM 甚至可以提供高达 100 mm的孔径。这些产品可用于太瓦级和千万瓦级激光器的调Q。

成本

AOM 的成本一般低于 EOM。造成这种情况有几个因素。首先，EOM 使用的材料（如 BBO）本身就比 AOM（如石英）昂贵。随着光圈尺寸的增大，这种成本差异会更加明显。此外，EOM 驱动的成本也高于 AOM 驱动，因为高电压切换是一项挑战。因此，为了最大限度地降低 EOM 的总体成本，必须根据应用仔细匹配 EOM 光圈。这也是 G&H 提供标准和定制 EOM 的主要原因。

插入损耗/传输效率

EOM 的损耗最低，主要来自晶体本身的吸收。EOM 的传输效率通常大于 98%，定制器件的传输效率甚至更高。AOM 的总体传输效率较低，这是由衍射过程本身的有限效率决定的。当配置为使用一阶衍射光束时，插入损耗是光传输和衍射效率的组合。一阶光束的透射率可接近输入强度的 90%。

对比度/消光

对比度或消光的定义是打开状态和关闭状态之间的传输强度比。在某些应用中，这一点相当重要，但在其他应用中，如模式锁定，这一点就不那么重要了。EOM 的对比度通常高于 AOM。几种 G&H EOM 的消光比大于 3500:1，而 AOM 的一阶光束典型值为 1000:1。

功率、能量处理/损坏阈值

与 AOM 相比，EOM 通常可以承受更高功率的光束和更高的脉冲能量。原因有二。最重要的是，EOM 的孔径要大得多。扩大激光光束可降低其功率密度，从而使调制器具有更高的功率/脉冲能量。另一个因素是插入损耗和效率；AOM 需要比 EOM 消耗更多的损耗功率。对于使用 AOM 的高功率应用，如基于 CO2 激光器的极紫外光刻光源，G&H 提供水冷却。这可以使调制器安全地耗散功率，并提高损坏阈值。

一些实际考虑因素

对于任何调制应用，尤其是 OEM 用途，关键指标通常是性能和可靠性（即使用寿命）。对于这两种类型的调制器，影响这些指标的因素各不相同。对于 EOM 而言，光学晶体的质量至关重要，这也是 G&H 公司几乎在内部生产所有 EOM 材料的原因。这些晶体必须经过生长和筛选，以避免出现夹杂物和 “面纱 ”等光学缺陷。最大限度地提高光学均匀性，从而最大限度地减少波面畸变是非常重要的，因为这既影响传输光束的光束质量（波面），也影响内在对比度，尤其是在较大孔径的设备中。随后应用于晶体上的抗反射 (AR) 涂层的质量对于最大限度地减少插入损耗非常重要。

由于开关电压较高，EOM 晶体还必须经过高电阻率筛选。电阻率过低会导致不可接受的电流流动、晶体过度发热，甚至 “过弧 ”和灾难性开裂。电源测试和预烧也很重要。这不仅是为了确保电源本身的使用寿命，也是为了延长 EOM 的使用寿命。对于 AOM 来说，晶体/玻璃的光学质量也很重要，尤其是透射波面（即光束质量），这也是我们在 G&H 生产包括 TeO2 在内的大部分材料的原因。对于原始器件制造商的应用，这可以保证大批量生产时质量和性能的一致性。主要的非光学挑战是致动器和光学晶体之间的界面，因为必须通过该界面传递强烈的振动，以及由此产生的热量。毫不奇怪，这一关键界面上的分层往往是导致 AOM 早期失效的主要因素。因此，G&H 公司完全避免使用粘合剂和其他粘接剂，因为它们通常会限制产品的使用寿命。相反，G&H 采用了专有的共价键合工艺，使致动器和晶体直接键合。这种独特的方法是 G&H AOM 具有长寿命和宽（射频）带宽特点的关键所在。

典型应用领域

声光调制AOM

锗声光调制器

• 高重复率超快激光器中的腔内调Q。

• 用于微材料和半导体加工、切割、焊接和标记的材料加工系统依赖于 AOM 的高速。

• 半导体检测也需要高速度。我们的 AOM 具有卓越的紫外性能和光束质量，这一点非常重要。

• 超快激光系统中的脉冲拾取需要 MHz 的速度。用于这种应用的器件经过优化，具有快速上升时间和低色散特性，可最大限度地减少脉冲展宽。

• AOM 的医疗应用，从成像到治疗。除速度外，其他关键考虑因素还包括功率处理和可靠性。

• AOM 还可用于数据，利用衍射光束的射频频移的数据处理应用。G&H AOM 的电气效率和低功耗是其主要优势。

• 在共聚焦显微镜和其他图像应用中用作快速偏转器。
  

使用声光器件的共聚焦显微系统

电光调制EOM

基于 KD*P 的电光普克尔盒

• 高脉冲能量研究激光系统中的调Q——达到太瓦甚至千万瓦级别。

• 军用激光器（如用于测距）中的调Q，可靠性是首要考虑因素。

• Alexandrite激光器的调Q，包括医疗用途，如去除纹身。

• 使用多波长的显微镜成像应用，因为它们能够完全关闭光束。

使用电光调制器或基于普克尔盒的激光调制去除纹身

联系我们

EOM 和 AOM 都是激光调制器，其工作原理截然不同，因此各自具有独特的工作特性。武汉新特光电技术有限公司目前是G&H在中国的授权代理商，我们的产品经理很乐意与您讨论您的具体要求，欢迎联系罗经理（手机：18162698939，座机：027-51858939，邮箱：lql@SintecLaser.com）快速获取产品选型和最新报价，并推荐最适合您特定需求的技术。