CN101344701A - 一种改变反射元件与光线相对位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改变反射元件的反射光线相对位置的方法，属于光学与激光技术领域，使得光线在反射光元件上的位置发生变化，而光线在元件上的入射角度和反射角度则保持固定。具体的实现方式，可以是将反射元件相对于光线发生移动，保持反射元件的反射面的法线方向不变，使入射到反射元件的光线方向固定；也可以是保持反射元件和入射光线的方向固定，而使入射光线发生平移，从而使在保持入射角、反射角不变的同时，使入射光在反射元件表面的位置发生变化。

Description

一种改变反射元件与光线相对位置的方法

技术领域

本发明涉及一种改变反射元件与光线相对位置的方法，属于光学与激光技术领域。

背景技术

当半导体可饱和吸收反射镜(SESAM)、非线性晶体、激光晶体等光学元件的反射表面被激光光束照射时，它们的表面特性会随时间而恶化。如果入射的激光光束的功率密度很大，则将加快反射表面特性的恶化程度。这种随时间的恶化主要是由激光光束在光学元件反射表面同一点长时间的作用产生的损伤引起的，主要发生在光学元件的表面或者内部。引起光学元件反射表面损伤的原因很多，包括激光光束产生的很大的电磁场、热效应等，主要和激光的功率密度、脉冲峰值功率、波长还有光学元件的组成，表面特性等有关系。

为了避免激光光束在光学元件反射表面引起的损伤，前期有了很多相关的研究及方法。这些方法重点是采用新的光学表面材料，改进光学元件的组成或者提高光学元件反射表面的阈值，还有就是在反射表面镀层保护膜。上述方法在实际应用中都起到了一定的作用，但是还是受到激光光束功率密度的限制。

在激光器的设计中，激光功率密度在光学元件表面的作用是很重要的影响因素。例如，在非线性晶体频率变换中，非线性晶体表面的激光功率密度越大，频率变换的效率就越高，但是大的激光功率密度就会影响非线性晶体表面的特性，长时间的照射会造成晶体表面的损伤，降低频率变换效率。为此，美国专利US5825562发明了一种方法，使入射并透过光学元件的光线相对于光学元件移动，并同时保持光线的方向固定。再例如，在被动锁模激光器中，腔内振荡光垂直入射到可饱和吸收体表面，并被反射形成振荡，激光器在连续锁模过程中入射到可饱和吸收镜上的光通量(脉冲通量)总是几倍于饱和通量，由于可饱和吸收体上的有效光斑面积很小，单位面积上的脉冲通量会很大。如此一来，当锁模激光器长时间运行时，腔内的振荡光使可饱和吸收体表面上的聚焦点处产生损伤，时间越长，损伤越大，从而改变可饱和吸收体改点处的特性降低其寿命，影响锁模激光器的正常运行。可饱和吸收体表面的损伤与激光器腔内振荡功率、脉冲能量及可饱和吸收体的损伤阈值有关。所以可通过减少腔内振荡功率、增加可饱和吸收体上的有效光斑面积或者增加可饱和吸收体的损伤阈值等避免可饱和吸收体表面处的损伤，但是这种情况下由于振荡光在可饱和吸收体表面上的聚焦点不变，所以随着激光器长时间运行，还是会在聚焦点处产生损伤，减少可饱和吸收体的寿命。因此设计一种光线与反射元件相对位置变化并保持光线方向固定的方法，对于能延长可饱和吸收体、非线性晶体等光学元件反射表面寿命的方法很重要。

另外，设计一种光线与反射元件相对位置变化并保持光线方向固定的方法，还可以利用反射元件不同位置处反射特性的差别，实现激光的不同特性的输出或者改变激光的工作方式。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种改变反射元件与光线相对位置的方法，以解决现有技术中光线与反射元件相对位置固定而存在的上述问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明的技术方案提出一种改变反射元件与光线相对位置的方法，该方法包括：

使光线在反射元件上的位置发生变化，而保持光线在所述反射元件上的入射角度和反射角度固定。

上述改变反射元件与光线相对位置的方法中，该方法具体包括：

相对于固定的光线，移动反射元件，保持反射元件的反射面的法线方向不变，使入射到反射元件的入射光光线方向、反射光光线方向保持固定。

上述改变反射元件与光线相对位置的方法中，该方法具体包括：

相对于固定的反射元件和固定的光线方向，使光线发生平移，光线在反射元件表面的位置发生变化，使入射到反射元件的入射光光线方向、反射光光线方向保持固定。

上述改变反射元件与光线相对位置的方法中，所述光线的入射角为正入射，或为任意角度的斜入射，或为全反射角。

上述改变反射元件与光线相对位置的方法中，所述反射元件为光学表面、光学镀膜面、光学材料和光学元件的光洁表面或其表面涂层或其微结构表面；其中所述光学材料和光学元件为可饱和吸收体、非线性材料、激光材料、光学玻璃、光学塑料、化合物半导体或金属。

上述改变反射元件与光线相对位置的方法中，所述反射面为所述反射元件的前表面或内反射表面。

上述改变反射元件与光线相对位置的方法中，所述反射元件的表面各处的反射特性相同或不同。

上述改变反射元件与光线相对位置的方法中，所述反射元件为一个，或为相同的或不同的多个。

上述改变反射元件与光线相对位置的方法中，所述反射元件的表面为平面或曲面。

(三)有益效果

本发明的技术方案通过简单可行的移动反射元件的方法，改变光线与反射元件的相对位置，产生了新的聚焦点(反射点)，避免光线长时间在反射元件的同一个点上产生作用，克服了由于长时间运行对反射元件表面造成损伤引起的一系列问题，大大增加了可饱和吸收体等反射元件的寿命；同时由于可改变光线与反射元件的相对位置，因此可以通过在不同位置上设置特性不同的反射元件来满足不同反射效果的需求，实现激光的不同特性的输出或者改变激光器的工作方式。

附图说明

图1为可饱和吸收体结构示意图；

图2为被动锁模激光器结构示意图；

图3为应用本发明实施例一的被动锁模激光器结构示意图；

图4为应用本发明实施例二的被动锁模激光器结构示意图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

由背景技术的描述可知，激光光束在反射元件表面引起的损伤并不是在激光照射反射表面的瞬时引起的，而是激光光束在反射表面上的同一点长时间照射产生热积累所造成的。因此如果减少同一个点的照射时间或者增加时间间隔，可以避免这一点的损伤。针对上述问题，本发明的出发点是设计一种改变反射元件的反射光线相对位置的方法，其特征在于使反射光在反射光元件上的位置发生变化，而使反射光在元件上的入射角度和反射角度则保持固定。为了实现上述目的可采取两种方法：方法1、可以将反射元件相对于入射光线发生移动，使入射到反射元件的光线方向固定，保持反射元件的反射面的法线方向不变；方法2、可以将反射元件和入射光线的方向均保持固定，而使入射光线发生平移，从而使在保持入射角、反射角不变的同时，使入射光在反射元件表面的位置发生变化。

以下实施例通过被动锁模激光器的实例说明本发明方法的具体技术方案。在可饱和吸收体作为锁模器件的激光器中，通过平移反射元件可饱和吸收体上的位置，而振荡光在可饱和吸收体上的入射角度和反射角度保持固定，这样避免了可饱和吸收体表面同一点长时间作为腔内振荡光的聚焦点，而且不需要重新调节激光器，使得锁模激光器正常运行。

如图1所示，其为振荡光在射镜式半导体可饱和吸收体(SESAM)表面的入射及反射图。根据锁模原理，振荡光垂直入射可饱和吸收体表面，反射光和入射光保持零度夹角。

被动锁模激光器的示意图如图2所示，泵浦光22，经光学系统23(可以不存在)，耦合进入激光介质25，腔镜24镀有对泵浦光高透、振荡光高反的双色膜，261、262是凹面反射镜，21是反射镜式半导体可饱和吸收体(SESAM)。激光介质25、凹面反射镜261～262及可饱和吸收体21组成谐振腔，振荡光从腔镜24出发，经凹面反射镜261反射，由凹面反射镜262聚焦到可饱和吸收体21上。由于腔内是垂直入射，所以激光从凹面反射镜261双路输出，通过调节谐振腔的参数和SESAM的位置实现被动锁模。

图3为应用本发明发明实施例一的被动锁模激光器结构图。31为半导体可饱和吸收体(SESAM)；32是泵浦光；33为光学系统(可以不存在)；34为端镜，镀有泵浦光高透和振荡光高反的双色膜；35为激光晶体；361和362为凹面反射镜。泵浦光32，经光学系统33(可以不存在)，耦合进入激光介质35。端镜34、凹面反射镜361～362及可饱和吸收体31组成谐振腔，振荡光从激光介质35出发，经凹面反射镜361反射，由凹面反射镜362聚焦的光聚焦到可饱和吸收体31上的点38。通过光路调节，可以实现激光器的锁模运行。平移半导体可饱和吸收体(SESAM)31并同时保持与入射光纤的垂直，使得振荡光在可饱和吸收体31表面的聚焦点可以在其表面任意新的一点39进行移动。如果新的一点39不再具有可饱和吸收特性，例如这一点是高反射特性，这样激光器就能不再是输出脉冲的锁模运转，而是输出连续激光的连续波运转。

图4为应用本发明发明实施例二的被动锁模激光器结构图。41为半导体可饱和吸收体(SESAM)；42是泵浦光；43为光学系统(可以不存在)；44为端镜，镀有泵浦光高透和振荡光高反的双色膜；45为激光晶体；461和462为凹面反射镜；47是直角棱镜，要求其主截面与激光腔的光轴重合。泵浦光42经光学系统43，耦合进入激光介质45。端镜44、凹面反射镜461～462及可饱和吸收体41组成谐振腔，振荡光从激光介质45出发，经凹面反射镜461反射，由凹面反射镜462聚焦的光通过直角棱镜47反射后，聚焦到可饱和吸收体41上的点48。通过光路调节，可以实现激光器的锁模运行。根据直角棱镜的特点，在主截面平面内移动直角棱镜47(如图4中的虚线位置)，可以调节振荡光与可饱和吸收体的相对位置，使得振荡光在可饱和吸收体表面的聚焦点可以在其表面任意新的一点49进行移动，并没有改变入射和反射光的相对位置，由于直角棱镜的移动，而引入的直角棱镜的旋转误差(

)不会影响振荡光的光路，激光器仍处于稳定运行状态。如果新的一点49不再具有可饱和吸收特性，例如这一点是高反射特性，这样激光器就能不再是输出脉冲的锁模运转，而是输出连续激光的连续波运转。

上述实施例的被动锁模激光器由于采取本发明改变反射元件与光线相对位置的方法技术方案，其具有以下优点：通过简单可行的移动反射棱镜的方法，改变振荡光与可饱和吸收体的相对位置，产生了新的聚焦点(反射点)，避免锁模激光器中振荡光长时间在可饱和吸收体的同一个点上产生作用。克服了由于锁模激光器长时间运行，可饱和吸收体表面损伤引起的一系列问题。大大增加了可饱和吸收体的寿命及锁模激光器的稳定运行时间。这种移动反射棱镜来改变振荡光相对位置的方法，可以有效的避免由于移动激光腔内器件产生的移动及旋转误差，在改变振荡光和可饱和吸收体相对位置的同时，保证锁模激光器的稳定运行。

本发明可以被广泛地应用于各种含有可饱和吸收体的激光器中。比如调Q激光器，反射镜式SESAM被动锁模激光器以及克尔透镜锁模激光器，在延长了可饱和吸收体寿命，降低成本的同时，保证了这类激光器长时间稳定运行。

同时，本发明不仅仅局限于用在锁模激光器之中，也可用于各种其它激光器，还可用于激光器谐振腔外光路或者其它光学装置或光学仪器或光学设备或光学系统之中。

以上为本发明的最佳实施方式，依据本发明公开的内容，本领域的普通技术人员能够显而易见地想到一些雷同、替代方案，均应落入本发明保护的范围。

Claims (9)

1、一种改变反射元件与光线相对位置的方法，其特征在于，该方法包括：

使光线在反射元件上的位置发生变化，而保持光线在所述反射元件上的入射角度和反射角度固定。

2、如权利要求1所述改变反射元件与光线相对位置的方法，其特征在于，该方法具体包括：

相对于固定的光线，移动反射元件，保持反射元件的反射面的法线方向不变，使入射到反射元件的入射光光线方向、反射光光线方向保持固定。

3、如权利要求1所述改变反射元件与光线相对位置的方法，其特征在于，该方法具体包括：

相对于固定的反射元件和固定的光线方向，使光线发生平移，光线在反射元件表面的位置发生变化，使入射到反射元件的入射光光线方向、反射光光线方向保持固定。

4、如权利要求1～3任一项所述改变反射元件与光线相对位置的方法，其特征在于，所述光线的入射角为正入射，或为任意角度的斜入射，或为全反射角。

5、如权利要求1～3所述改变反射元件与光线相对位置的方法，其特征在于，所述反射元件为光学表面、光学镀膜面、光学材料和光学元件的光洁表面或其表面涂层或其微结构表面；其中所述光学材料和光学元件为可饱和吸收体、非线性材料、激光材料、光学玻璃、光学塑料、半导体化合物或金属。

6、如权利要求5所述改变反射元件与光线相对位置的方法，其特征在于，所述反射面为所述反射元件的前表面或内反射表面。

7、如权利要求5所述改变反射元件与光线相对位置的方法，其特征在于，所述反射元件的表面各处的反射特性相同或不同。

8、如权利要求5所述改变反射元件与光线相对位置的方法，其特征在于，所述反射元件为一个，或为相同的或不同的多个。

9、如权利要求5所述改变反射元件与光线相对位置的方法，其特征在于，所述反射元件的表面为平面或曲面。

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