CN101414730A - 一种受抑全内反射激光q开关装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种受抑全内反射激光Q开关装置，属于激光光电子技术及其应用领域。本装置主要包括折射率为n2的等腰梯形全反棱镜(11)、弹簧(12)、长方形玻璃片(13)、分光玻璃体(14)、换能器(16)和固定外框(18)。在换能器(16)的作用下长方形玻璃片(13)与等腰梯形全反棱镜(11)间的空气隙厚度d在零与波长量级间可调，空气隙厚度d决定了入射光(7)的透过率。而长方形玻璃片(13)与等腰梯形全反棱镜(11)两端处还残留空气隙，撤去换能器上的电压，长方形玻璃片将迅速恢复原状。通过调节空气隙厚度d从而改变了激光器谐振腔的Q值，实现了激光束的调制。本发明中不存在光胶的问题，并且开关反应速度快。
Description
技术领域
本发明涉及一种受抑全内反射激光Q开关装置，属于激光光电子技术及其应用领域。
背景技术
受抑全内反射(Frustrated total internal reflection，简称FTIR)调制方式，它的基本原理如图1所示，当光线由折射率为n1的光密介质1进入折射率为n2(n1>n2)的光疏介质2时，在入射角大于临界角时将发生全反射。在此条件下，虽然入射波完全反射，但是此时存在一种特殊的透射波场，它穿过反射表面而进入第二介质中，这就是表面波或倏逝波。由于在光疏介质，倏逝波按指数规律急剧衰减，其穿透深度极小，按习惯取其振幅减小到交界面处振幅的1/e时，定义其有效穿透深度为ze，有效穿透深度ze为波长数量级。当介质2的厚度d小于倏逝波的有效穿透深度ze时，且其后是折射率为n1的第三介质，则此时“全内反射”将受到抑制，光波有一部分将通过介质2而进入介质三，这种现象即是“受抑全内反射”。
通常受抑全内反射激光Q开关由一对45°底角的等腰梯形石英棱镜组成(分别为全反棱镜和抑制棱镜)，抑制棱镜的背面贴有压电换能器，压电换能器精确控制抑制棱镜与全反棱镜之间的空气隙厚度d，当激光束垂直进入全反棱镜后，由于光线在全反棱镜斜面入射角为45°大于石英棱镜的临界角arcsinl/n(n＝1.45为石英的折射率)，此时光线将在全反棱镜斜面发生全反射。在压电换能器的驱动下，当全反棱镜和抑制棱镜之间的空气隙厚度d小于激光波长λ时，此时全反射将受到抑制，入射光线将穿过全反棱镜和抑制棱镜之间的空气隙而进入抑制棱镜；当两棱镜间的空气隙厚度d小于激光波长λ的1/10或更小时，全反射将完全被抑制入射光线将全部进入抑制棱镜而从另一面输出。此时激光谐振腔内损耗大，Q值低，振荡阈值高而不能起振，从而激光上能级的粒子数不断积累，如图2所示。当全反棱镜和抑制棱镜之间的空气隙厚度d恢复到激光波长λ时，光线恢复全反射，此时激光谐振腔内损耗小，Q值高，激光上能级积累的反转粒子迅速跃迁激光振荡输出，如图3所示。
但是这种结构的受抑全内反射激光Q开关存在两方面的问题，一是当全反射完全被抑制时，受抑全内反射激光Q开关中全反棱镜和抑制棱镜之间的空气隙厚度d太小，两棱镜之间几乎成真空状态，因此将在两表面间产生光胶现象。当两棱镜间空气隙厚度d再次增大时，压电换能器需克服光胶带来的巨大阻力，导致受抑全内反射激光Q开关不能快速打开。二是受抑全内反射激光Q开关中抑制棱镜质量太大，在压电换能器的驱动下，抑制棱镜不能快速运动，导致受抑全内反射激光Q开关时间太长。受抑全内反射激光Q开关现有的缺点制约了其作为激光Q开关的广泛应用，特别是在短波长激光调Q中的应用。
发明内容
本发明针对目前受抑全内反射激光Q开关存在的缺点，通过用长方形玻璃片和分光玻璃体代替45°底角的等腰梯形抑制棱镜，很好的解决了：a)受抑全内反射激光Q开关中全反棱镜和抑制棱镜两表面间的光胶问题；b)受抑全内反射激光Q开关中抑制棱镜质量太大导致的开关速度太慢问题；c)受抑全内反射激光Q开关不适合作为短波长激光Q开关的问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。本装置包括45°底角的等腰梯形全反棱镜、弹簧、长方形玻璃片、圆柱形的分光玻璃体、支撑架、换能器、调节螺钉和固定外框。其中：换能器的一端通过调节螺钉与固定外框相连，另一端通过支撑架与长方形玻璃片固定连接，固定外框与等腰梯形全反棱镜的斜面固定连接。分光玻璃体的一个端面与长方形玻璃片的中央紧密粘结，长方形玻璃片的上表面与等腰梯形全反棱镜的斜面平行并且二者之间的初始距离为垂直入射到等腰梯形全反棱镜上的入射激光束波长的n倍(0.5≤n≤10)。在等腰梯形全反棱镜与长方形玻璃片的两端处相对应的位置设置有弹簧。在分光玻璃体的下部设置有底面与分光玻璃体的底面相等的空心圆锥，分光玻璃体的圆柱直径大于入射激光束光斑直径的
倍。当长方形玻璃片的上表面与等腰梯形全反棱镜的斜面相接触时，接触面积大于入射激光束在长方形玻璃片的上表面上的光斑大小。
所述的入射激光束的波长λ的范围为：100nm≤λ≤10000nm。
所述的等腰梯形全反棱镜的底角为45°，折射率大于。
所述的弹簧能够用其他弹性部件代替。
所述的换能器为压电陶瓷换能器或超磁致伸缩换能器。
在换能器上施加电压，长方形玻璃片将发生形变，在换能器的作用下长方形玻璃片与等腰梯形全反棱镜之间的空气隙厚度d在零与初始厚度d1间可调，空气隙厚度d决定了入射光的透过率。而长方形玻璃片的上表面与等腰梯形全反棱镜的斜面两端处还残留一定的空气隙，空气隙的存在避免了两表面间产生光胶现象，撤去换能器上的电压后，质量较小的长方形玻璃片在弹力的作用下将迅速恢复原状。通过调节长方形玻璃片与等腰梯形全反棱镜间的空气隙厚度d来改变激光器谐振腔的Q值，实现激光束的调制。
本发明具有以下优点：1)全反棱镜和长方形玻璃片的两表面间不产生光胶现象；2)长方形玻璃片质量小开关速度快；3)适合作为短波长激光Q开关。
附图说明
图1为受抑全内反射的基本原理图
图2为现有的受抑全内反射激光Q开关处于开启状态时的俯视图
图3为现有的受抑全内反射激光Q开关处于关闭状态时的俯视图
图4为本发明的受抑全内反射激光Q开关装置处于开启状态时的俯视图
图5为长方形玻璃片与等腰梯形全反棱镜接触时受抑全内反射激光Q开关装置的俯视图
图6为本发明的受抑全内反射激光Q开关装置处于关闭状态时的俯视图
图7为45°底角的等腰梯形全反棱镜的立体图
图8为分光玻璃体的立体图
图中：1、光密介质，2、光疏介质，3、全反射镜，4、泵浦源，5、激光工作物质，6、激光输出镜，7、激光束，8、石英全反棱镜，9、石英抑制棱镜，10、压电换能器，11、等腰梯形全反棱镜，12、弹簧，13、长方形玻璃片，14、分光玻璃体，15、支撑架，16、换能器，17、调节螺钉，18、固定外框，19、等腰梯形全反棱镜的斜面，20、长方形玻璃片的上表面，21、残留空气隙，22、空心圆锥。
具体实施方式
下面结合图4～图8对本发明作进一步说明：
如图4、图5所示，本实施例包括折射率为n2的45°底角等腰梯形全反棱镜11、弹簧12、长方形玻璃片13、分光玻璃体14、支撑架15、换能器16、调节螺钉17和固定外框18。其中：换能器16的一端通过调节螺钉17与固定外框18相连，另一端通过支撑架15与长方形玻璃片13固定连接，固定外框18与等腰梯形全反棱镜11的斜面19固定连接。分光玻璃体14的一个端面与长方形玻璃片13的中央紧密粘结，长方形玻璃片的上表面20与等腰梯形全反棱镜的斜面19平行并且二者之间的初始距离为垂直入射到等腰梯形全反棱镜11上的入射激光束7波长的n倍(0.5≤n≤10)。在等腰梯形全反棱镜11与长方形玻璃片13的两端处相对应的位置设置有弹簧12。在分光玻璃体14的下部设置有一的空心圆锥22，空心圆锥22的底面与分光玻璃体14的底面重合，如图8所示，空心圆锥22起分光作用。分光玻璃体14的圆柱直径大于入射激光束7光斑直径的倍。当长方形玻璃片的上表面20与等腰梯形全反棱镜的斜面19接触时，接触面积大于入射激光束7在长方形玻璃片的上表面20上的光斑大小。
本实施例中，等腰梯形全反棱镜的折射率大于，如图7所示。弹簧12能够用其他弹性部件代替，换能器16为压电陶瓷换能器或超磁致伸缩换能器。调节螺钉17使等腰梯形全反棱镜11与长方形玻璃片13之间的空气隙初始厚度d1为波长量级。
本实施例中入射激光束7选用波长为1.06um的Nd:YAG激光器，换能器16为压电陶瓷换能器，等腰梯形全反棱镜11为折射率n＝1.45的石英棱镜，Nd:YAG激光器的激光束7垂直进入石英全反棱镜11后，由于光线在石英全反棱镜11的斜面19入射角为45°大于石英棱镜11的临界角43.6°，此时光线7将在石英全反棱镜11的斜面19发生全反射。调节螺钉17使石英等腰梯形全反棱镜11与长方形玻璃片13之间的初始间距d1为1.0um，给压电陶瓷换能器16施加电压后，长方形玻璃片13在压电陶瓷换能器16的驱动下发生形变，中央部分将向石英全反棱镜11靠近，最终长方形玻璃片的上表面20将与石英全反棱镜的斜面19接触，接触面积大于Nd:YAG激光束7在长方形玻璃片的上表面20上的光斑尺寸，由于弹簧12的设置，所以在长方形玻璃片13与石英全反棱镜11两端处还残留一定的空气隙21，如图5所示。此时全反射受到抑制，激光束7将经过长方形玻璃片13进入与长方形玻璃片13紧密粘结的分光玻璃体14，光线在分光玻璃体14的侧面将发生全反射，最终从分光玻璃体14内的空心圆锥22的表面进入空气中。此时激光谐振腔内损耗大，Q值低，振荡阈值高而不能起振，从而激光上能级的粒子数不断积累。当撤去压电陶瓷换能器16上的电压后，由于在长方形玻璃片13与石英全反棱镜11两端处还残留一定的空气隙21，避免了长方形玻璃片的上表面20与石英全反棱镜的斜面19发生光胶现象；以及长方形玻璃片13质量较小，因此长方形玻璃片13在弹簧12的作用下将迅速恢复原状，石英全反棱镜11与长方形玻璃片13的间距d也恢复到初始间距d1，此时垂直进入石英等腰梯形全反棱镜11的光线又发生全反射，激光谐振腔内损耗小，Q值高，激光上能级积累的反转粒子迅速跃迁激光振荡输出，如图6所示。通过调节长方形玻璃片13与石英等腰梯形全反棱镜11之间的空气隙厚度d改变了Nd:YAG激光器谐振腔的Q值，从而实现了Nd:YAG激光束7的调制。
Claims (5)
1、一种受抑全内反射激光Q开关装置；其特征在于：包括45°底角的等腰梯形全反棱镜(11)、弹簧(12)、长方形玻璃片(13)、圆柱形的分光玻璃体(14)、支撑架(15)、换能器(16)、调节螺钉(17)和固定外框(18)；其中：换能器(16)的一端通过调节螺钉(17)与固定外框(18)相连，另一端通过支撑架(15)与长方形玻璃片(13)固定连接，固定外框(18)与等腰梯形全反棱镜(11)的斜面(19)固定连接；分光玻璃体(14)的一个端面与长方形玻璃片(13)的中央紧密粘结，长方形玻璃片的上表面(20)与等腰梯形全反棱镜的斜面(19)平行，并且二者之间的初始距离为垂直入射到等腰梯形全反棱镜(11)上的入射激光束(7)波长的n倍，其中0.5≤n≤10；在等腰梯形全反棱镜(11)与长方形玻璃片(13)的两端处相对应的位置设置有弹簧(12)；在分光玻璃体(14)的下部设置有底面与分光玻璃体(14)的底面相等的空心圆锥(22)，分光玻璃体(14)的圆柱直径大于入射激光束(7)光斑直径的倍；当长方形玻璃片的上表面(20)与等腰梯形全反棱镜的斜面(19)接触时，接触面积大于入射激光束(7)在长方形玻璃片的上表面(20)上的光斑大小。
2、根据权利要求1所述的一种受抑全内反射激光Q开关装置，其特征在于：所述的入射激光束(7)的波长λ的范围为：100nm≤λ≤10000nm。
3、根据权利要求1所述的一种受抑全内反射激光Q开关装置，其特征在于：所述的等腰梯形全反棱镜(11)的底角为45°，折射率大于
4、根据权利要求1或权利要求2或权利要求3所述的一种受抑全内反射激光Q开关装置，其特征在于：所述的弹簧(12)能够用其他弹性部件代替。
5、根据权利要求1所述的一种受抑全内反射激光Q开关装置，其特征在于：所述的换能器(16)为压电陶瓷换能器或超磁致伸缩换能器。
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