CN101257183A - 一种单块环形谐振腔激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种单块环形谐振腔激光器，其包括磁光增益介质和光学晶体元件，其中磁光增益介质设有一个入射面和三个反射面，其内部设有一个孔，使光线不能在两个相对面之间垂直传播，入射面镀偏振相关膜，对基波S分量高反，对P分量大部分透射，光学晶体元件设在环形光路上，设在磁光增益介质的反射面上，利用光学晶体元件与偏振膜共同作用对环形光路中一个方向传播的光进行偏振损耗，实现单向环形谐振。

Description

一种单块环形谐振腔激光器

技术领域

本发明涉及激光领域，尤其涉及环形光路中两个方向的损耗不同，实现环形谐振腔单向输出的单块环形谐振腔激光器。

背景技术

在激光器领域，单向环形谐振腔激光器是单频激光器一种很好设计方案。常规环形谐振腔激光器的光学元件多、光路复杂，激光器的腔长不易控制，因此人们发明了单块非平面环形谐振腔激光器，如美国专利号为USP4,578,793的“单块非平面环形谐振腔激光器”，其主要特点是：仅采用单块Nd:YAG晶体制作成激光谐振腔，同时利用Nd:YAG作为磁光材料巧妙形成单向环形谐振腔激光器，其光路是非平面光路，作为激光器的光学器件加工难度大、要求精度高，难以形成大规模生产和低成本器件，因此限制了它作为高性能的激光器被广泛应用。另外，中国专利公开号CN 101132101A的“一种单块环形谐振腔激光器”专利申请的光路为三角形，光学器件加工相对较为复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制造工艺简单，成本低的单块环形谐振腔激光器。

为实现以上目的，本发明环形谐振腔激光器包括磁光增益介质和光学晶体元件，其中磁光增益介质设有一个入射面和三个反射面，其内部设有一个孔，使光线不能在两个相对面之间垂直传播，入射面镀偏振相关膜，对基波S分量高反，对P分量大部分透射，光学晶体元件设在环形光路上，设在磁光增益介质的反射面上。

在上述磁光增益介质的入射面上设有棱镜。

或者环形谐振腔激光器包括磁光增益介质和两个光学晶体元件，其中磁光增益介质设有一个入射面和三个反射面，其内部设有一个孔，使光线不能在两个相对面之间垂直传播，磁光增益介质的入射面上设有一个光学晶体元件，其连接面镀普通高反射膜，另一个光学晶体元件设在的环形光路上，设在磁光增益介质的反射面上。

上述设在磁光增益介质反射面上的光学晶体元件的光轴方向与垂直光线截面方向的夹角为θ，θ为光在磁光材料里的偏振方向旋转角度。

上述的反射面为平面或球形面，或者在反射面的环形光路上设球面镜。

又或者环形谐振腔结构包括普通棱镜、1/4波片、激光增益介和磁光玻璃或法拉第旋转器，其中普通棱镜设有一个入射面和三个反射面，其内部设有一个孔，使光线不能在两个相对面之间垂直传播，入射面镀偏振相关膜，对基波S分量高反，对P分量大部分透射，激光增益介与1/4波片相连，1/4波片设在环形光路上，设在普通棱镜的反射面上，1/4波片的光轴与光路截面的垂线方向形成夹角，磁光玻璃或法拉第旋转器设在环形光路上，设在普通棱镜的反射面上。

再或者环形谐振腔结构包括普通棱镜、1/4波片、激光增益介和磁光玻璃或法拉第旋转器，其中普通棱镜设有一个入射面和三个反射面，其内部设有一个孔，使光线不能在两个相对面之间垂直传播，入射面上设有一个光学晶体元件，其连接面镀普通高反射膜，激光增益介与1/4波片相连，1/4波片设在环形光路上，设在普通棱镜的反射面上，1/4波片的光轴与光路截面的垂线方向形成夹角，磁光玻璃或法拉第旋转器设在环形光路上，设在普通棱镜的反射面上。

上述的光学晶体元件为波片、对基波S分量高反和P分量大部分透射的PBS偏振膜、双折射晶体棱镜、双折射晶体平片、双折射晶体平片组、双折射楔角片、双折射楔角片组或者偏振片，是改变光的偏振状态的元件。

上述的波片、双折射晶体棱镜、双折射晶体平片、双折射晶体平片组、双折射楔角片、双折射楔角片组或偏振片采用激光增益介质基质晶体制作。

上述的波片首选是1/4波片，不能选用1/2波片或全波片。

本发明采用以上技术，利用光学晶体元件对环形光路中一个方向进行偏振损耗，实现激光的光路在一个平面内环行，光路简单、结构简单，构成环形光路的磁光增益介质或棱镜为方形，光学晶体元件为常规的光学器件，加工难度小，便于大规模生产，制造成本相对低。同时它们可以采用光胶或深化光胶胶合成一体，从而有很好的热稳定性和频率稳定性。

附图说明

现结合附图对本发明做进一步阐述：

图1是本发明环形谐振腔结构之一的示意图；

图2是本发明环形谐振腔结构之二的示意图；

图3是本发明环形谐振腔结构之三的示意图；

图4是本发明环形谐振腔结构之四的示意图；

图5是本发明环形谐振腔结构之五的示意图；

图6是本发明环形谐振腔结构之六的示意图；

图7是本发明环形谐振腔结构之七的示意图；

图8是本发明环形谐振腔结构之八的示意图。

具体实施方式

请参照图1所示，本发明环形谐振腔激光器包括有磁光增益介质1和光学晶体元件3。磁光增益介质1可以采用Nd:YAG晶体，光学晶体元件3为波片、对基波S分量高反和P分量大部分透射的PBS偏振膜、双折射晶体棱镜、双折射晶体平片、双折射晶体平片组、双折射楔角片、双折射楔角片组或者偏振片等，是改变光的偏振状态的元件。其主要功能是改变光的偏振状态、对其中一个偏振方向的光进行损耗以及将两个偏振方向的光分裂开等，由于不同偏振方向的反射率或透射率不同，从而实现对两个方向的光损耗不同。波片、双折射晶体棱镜、双折射晶体平片、双折射晶体平片组、双折射楔角片、双折射楔角片组或偏振片采用激光增益介质基质晶体制作。上述的波片首选是1/4波片，不能选用1/2波片或全波片。其中磁光增益介质1设有一个入射面11和三个反射面12、13、14，其内部设有一个孔15，使光线不能在两个相对面之间垂直传播，入射面11镀偏振相关膜，对基波S分量高反，对P分量大部分透射，光学晶体元件3设在环形光路上，设在磁光增益介质1的一个反射面12、13或14上，光学晶体元件3的光轴方向与垂直光线截面方向的夹角为θ，θ为光在磁光材料里的偏振方向旋转角度。在上述磁光增益介质1的入射面11上可以设有棱镜2。整个激光器处于磁场中。泵浦光从棱镜2的一个侧面21入射，激光从棱镜2的另一个侧面22出射。另外，泵浦光还可以从C点或F点入射，激光也可以从C点或F点出射，这时棱镜2可以不用。

如图1所示，磁光增益介质1在磁场作用下，光路沿A→B→C→D→E→F→A方向传播，从A点出发的为S偏振光，偏振方向垂直于光路截面；传播到B点时，由于磁光效应偏振方向顺时针旋转θ角，其偏振方向恰好与光学晶体元件3的光轴方向平行，光从B点到C点过程中偏振方向不变；光学晶体元件3选用1/4波片的效果最好，偏振损耗最大，波片为1/2波片或全波片时，无偏振损耗，所以不能选用1/2波片或全波片，以光学晶体元件3为1/4波片来分析光路；设计光路角度，使光在C点的入射角i小于布儒斯特角，光在C点反射后，偏振方向对称旋转，偏振方向仍与光学晶体元件3的光轴方向平行，光从C点到达D点时，顺着光传播方向上看，偏振方向为逆时针旋转θ角；光从D点到达E点过程中，顺着光传播方向上看，由于磁光效应，偏振方向顺时针旋转θ角，到达E点时变为S偏振光；在E点全反射后到达F点时，偏振方向变为逆时针旋转θ角，在F点反射后，偏振方向对称旋转，偏振方向变为顺时针旋转θ角，回到A点时仍为S偏振光，该光再从A点反射时，其光强不损耗或仅损耗输出分量值，形成谐振。

当光路沿A→F→E→D→C→B→A方向传播时，从A点出发的为S偏振光传播到F点时，由于磁光效应偏振方向顺时针旋转θ角，在F点全反射后，偏振方向对称旋转，偏振方向逆时针旋转θ角，到达E点时变为S偏振光；从E点到达D点时，顺着光传播方向上看，偏振方向为逆时针旋转θ角，偏振方向与光学晶体元件3的光轴方向的夹角为2θ；从D经过C点反射到达B点时，顺着光传播方向上看，光的偏振方向为顺时针旋转3θ，到达A点后，偏振方向为顺时针旋转4θ。由于入射面11对P分量透射率较大，则总光强sin²4θ的分量被损耗，光路损耗较大，不能形成谐振，从而实现单向环形谐振。光学晶体元件3采用双折射棱镜替换1/4波片时，只须调节其光轴到该处的光偏振方向，同样也可以实现单向环形谐振。

如图2或3所示，图1所示结构中磁光增益介质1反射面12、13或14为平面，也可以为球形面，或者在反射面12、13或14的环形光路上设球面镜4。

请参阅图4、5或6所示，本发明环形谐振腔激光器包括磁光增益介质1和两个光学晶体元件3，其中磁光增益介质1设有一个入射面11和三个反射面12、13、14，其内部设有一个孔15，使光线不能在两个相对面之间垂直传播，磁光增益介质1的入射面11上设有一个光学晶体元件3，其连接面31镀普通高反射膜，以此替换图1结构中的棱镜2和入射面11镀偏振相关膜，另一个光学晶体元件3设在环形光路上，设在磁光增益介质1的反射面上，如此同样可以完成单向谐振。

再请参阅图7所示，环形谐振腔结构包括普通棱镜5、1/4波片6、激光增益介7和磁光玻璃或法拉第旋转器8，其中普通棱镜5设有一个入射面51和三个反射面52、53、54，其内部设有一个孔55，使光线不能在两个相对面之间垂直传播，入射面51镀偏振相关膜，对基波S分量高反，对P分量大部分透射，激光增益介7与1/4波片6相连，1/4波片6设在环形光路上，设在普通棱镜5的反射面52上，1/4波片6的光轴与光路截面的垂线方向形成夹角θ，磁光玻璃或法拉第旋转器8设在环形光路上，设在普通棱镜5的反射面54上。磁光玻璃或法拉第旋转器8处于磁场中，光在其中通过时，偏振方向旋转θ。

如图7所示，光路沿A→B→C→D→E→F→G→I→A方向传播，从A点出发的为S偏振光，偏振方向垂直于光路截面；经过B点进入1/4波片6，顺着光线方向看，1/4波片6光轴为光线偏振顺时针偏转θ，光在C点反射后到达D点时，光线偏振方向为逆时针偏转2θ，其中光在C点反射时，入射角i小于布儒斯特角；光线E点全反射后到达F点时偏振方向不变，光从F点进入磁光玻璃或法拉第旋转器8后，偏振方向顺时针方向旋转，经G点反射后继续旋转，回到I点时，偏振方向共旋转2θ，重新变成S偏振光。光再回到A点反射时，仍为S偏振光，其光强不损耗或仅损耗输出分量值，形成谐振。

光路沿A→I→G→F→E→D→C→B→A方向传播时，从A点出发的S偏振光在I进入磁光玻璃或法拉第旋转器8后偏振方向顺时针方向旋转，在G点反射后继续旋转，到达F点时，顺着光线方向看，偏振方向为逆时针偏转2θ；经E点全反射在D点进入1/4波片6时，偏振方向不变，与1/4波片6的光轴夹角为3θ；经C点反射再次经过1/4波片6到B点时，光偏振方向与D点的偏振方向关于光轴对称，变为逆时针偏转4θ；到达A点时，偏振方向仍为逆时针旋转4θ。由于入射面51对P分量透射率较大，则总光强sin²4θ的分量被损耗，光路损耗较大，不能形成谐振，从而实现单向环形谐振。

又请参阅图8所示，普通棱镜5的入射面51上设有一个光学晶体元件3，其连接面31镀普通高反射膜，以此替换图7结构中的入射面51镀偏振相关膜。

综上所述，图1-8中本发明磁场H由永磁体或电磁体，各光学元件可以采用光胶或深化光胶，胶粘结而构成单一块整块结构。

Claims (10)

1、一种单块环形激光谐振腔，包括磁光增益介质和光学晶体元件，其特征在于：磁光增益介质设有一个入射面和三个反射面，其内部设有一个孔，使光线不能在两个相对面之间垂直传播，入射面镀偏振相关膜，对基波S分量高反，对P分量大部分透射，光学晶体元件设在环形光路上，设在磁光增益介质的反射面上。

2、根据权利要求1所述的一种单块环形激光谐振腔，其特征在于：在磁光增益介质的入射面上设有棱镜。

3、一种单块环形激光谐振腔，包括磁光增益介质和两个光学晶体元件，其特征在于：磁光增益介质设有一个入射面和三个反射面，其内部设有一个孔，使光线不能在两个相对面之间垂直传播，磁光增益介质的入射面上设有一个光学晶体元件，其连接面镀普通高反射膜，另一个光学晶体元件设在的环形光路上，设在磁光增益介质的反射面上。

4、根据权利要求1或3所述的一种单块环形激光谐振腔，其特征在于：在磁光增益介质反射面上的光学晶体元件的光轴方向与垂直光线截面方向的夹角为θ，θ为光在磁光材料里的偏振方向旋转角度。

5、根据权利要求1或3所述的一种单块环形激光谐振腔，其特征在于：反射面为平面或球形面，或者在反射面的环形光路上设球面镜。

6、一种单块环形激光谐振腔，环形谐振腔结构包括普通棱镜、1/4波片、激光增益介和磁光玻璃或法拉第旋转器，其特征在于：普通棱镜设有一个入射面和三个反射面，其内部设有一个孔，使光线不能在两个相对面之间垂直传播，入射面镀偏振相关膜，对基波S分量高反，对P分量大部分透射，激光增益介与1/4波片相连，1/4波片设在环形光路上，设在普通棱镜的反射面上，1/4波片的光轴与光路截面的垂线方向形成夹角，磁光玻璃或法拉第旋转器设在环形光路上，设在普通棱镜的反射面上。

7、一种单块环形激光谐振腔，环形谐振腔结构包括普通棱镜、1/4波片、激光增益介和磁光玻璃或法拉第旋转器，其特征在于：普通棱镜设有一个入射面和三个反射面，其内部设有一个孔，使光线不能在两个相对面之间垂直传播，入射面上设有一个光学晶体元件，其连接面镀普通高反射膜，激光增益介与1/4波片相连，1/4波片设在环形光路上，设在普通棱镜的反射面上，1/4波片的光轴与光路截面的垂线方向形成夹角，磁光玻璃或法拉第旋转器设在环形光路上，设在普通棱镜的反射面上。

8、根据权利要求1、2、3、6或7所述的一种单块环形激光谐振腔，其特征在于：其光学晶体元件为波片、对基波S分量高反和P分量大部分透射的PBS偏振膜、双折射晶体棱镜、双折射晶体平片、双折射晶体平片组、双折射楔角片、双折射楔角片组或者偏振片，是改变光的偏振状态的元件。

9、根据权利要求8所述的一种单块环形激光谐振腔，其特征在于：其波片、双折射晶体棱镜、双折射晶体平片、双折射晶体平片组、双折射楔角片、双折射楔角片组或偏振片采用激光增益介质基质晶体制作。

10、根据权利要求8所述的一种单块环形激光谐振腔，其特征在于：其波片首选是1/4波片，不能选用1/2波片或全波片。

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