CN102157894A

CN102157894A - 一种基于光栅的轴对称偏振谐振腔镜

Info

Publication number: CN102157894A
Application number: CN 201110067583
Authority: CN
Inventors: 王又青; 李波; 赵江; 杨扬; 贺昌玉
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2011-03-21
Filing date: 2011-03-21
Publication date: 2011-08-17

Abstract

本发明公开了基于光栅的轴对称偏振谐振腔镜，它包括光栅、多层介质膜和基底；光栅的刻线呈圆环状，并分布均匀，且与基底同心，光栅的刻线剖面为矩形，光栅镜刻蚀区的尺寸满足关系：

，其中，

为基底直径，

为光栅刻蚀区圆环的直径，为基底上未镀膜和未刻蚀光栅的圆环宽度；多层介质膜是由高低折射率材料交替层叠而成；多层介质膜位于光栅和基底之间，光栅层厚度小于多层介质膜总厚度。该腔镜具有对P偏振或S偏振选择和高反射的特点，而且具有圆对称性。可用于激光谐振腔的尾镜，得到高偏振度的轴对称偏振光束。

Description

一种基于光栅的轴对称偏振谐振腔镜

技术领域

本发明属于激光器件领域，涉及到谐振腔镜，具体涉及一种基于光栅的轴对称偏振谐振腔镜。

背景技术

轴对称偏振光是一种在光束横截面内除光束中心外各点均存在偏振方向与径向成相同角度的偏振光束。当二者夹角等于90°时，称为环向偏振光(如图1-a所示)。当二者夹角等于0°时，称为径向偏振光(如图1-b所示)，图1中的箭头指向为电矢量方向。由于轴对称偏振光的特殊偏振特性，在很多领域中表现出诱人的应用前景。

环向偏振光可以应用于工业激光打孔，其加工的孔与圆偏振光加工的孔相比，具有孔的深度大、孔径小、锥度小、热影响区小等特点。

到目前为止，径向偏振光的应用领域更加广泛。在科学研究领域，径向偏振光在强聚焦下，焦点位置将出现一个很强的纵向电场，可以用于对带电粒子加速。径向偏振光也可以作为“光镊子”实现对粒子捕获。径向偏振光还可以用于近场成像，提高显微镜的分辨率。在工业加工领域，径向偏振光用于切割，相比于圆偏振光切割效率可以提高2倍左右。

目前，轴对称偏振光的产生分为被动和主动两种方式。被动的方式主要采用波片，偏振片等元件对线偏振光作旋转叠加，或使用一对偏振正交的TEM₀₁光束相干叠加得到。主动方式一般利用轴对称的双折射元件或利用布儒斯特锥镜等方法。

申请号200820165973.0公开了《一种实现线偏振光转换为径向偏振光的装置》，该方法采用半波片、四分之一波片、双折射晶体、石英偏振旋转器等通过有序排列将线偏振光转换为径向偏振光。该方法采用的光学器件多，结构复杂，并且对波片和双折射元件的光轴之间的相对位置要求严格，调整不方便，转换效率也不高。申请号200910051101.0公开了一种《输出径向偏振光束的激光器》，这种方法以布儒斯特轴锥镜作为腔内偏振元件产生径向偏振光。由于插入布儒斯特轴锥镜到腔内，增加了谐振腔的损耗。而且布儒斯特轴锥镜的制造和调整精度要求极高，限制了径向偏振光的输出功率和偏振度。

发明内容

本发明针对上述技术的不足，提出了一种基于光栅的轴对称偏振谐振腔镜，该谐振腔镜偏振选择度大，反射率高，轴对称性好，热稳定性优良，可以得到高功率、高偏振度的轴对称偏振光。

本发明提供的一种基于光栅的轴对称偏振谐振腔镜，其特征在于，它包括光栅、多层介质膜和基底；光栅的刻线呈圆环状，并分布均匀，且与基底同心，光栅的刻线剖面为矩形，光栅镜刻蚀区的尺寸满足关系：φ₂＝φ₁-2*L，其中，φ₁为基底直径，φ₂为光栅刻蚀区圆环的直径，L为基底上未镀膜和未刻蚀光栅的圆环宽度；多层介质膜由高低折射率材料交替层叠而成；多层介质膜位于光栅和基底之间，光栅层厚度小于多层介质膜总厚度。

本发明通过对光栅参数，包括光栅的周期、刻槽深度、占空比等参数的调节，可以设计出过光栅镜任一直径的入射面内对正入射的P偏振分量具有高反射率且高于正入射的S偏振分量反射率10％以上的径向偏振光栅镜，或是对正入射的S偏振分量具有高反射率且高于正入射的P偏振分量反射率10％以上的环向偏振光栅镜。这样就可以得到高纯度的径向或环向轴对称偏振光。该腔镜结构简单、对称性好、热稳定性能和机械性能优良，可以作为谐振腔的尾镜，广泛应用于气体、固体激光器，以产生高功率、高纯度的轴对称偏振光。具体而言，本发明具有以下技术特点：

(1)所述的基底具有热稳定性好的特点，既可以是平面镜，也可以是凹面镜。高热稳定性的基底可以满足高功率激光器的使用要求。

(2)所述的多层介质膜位于基底之上，是由高低折射率材料交替层叠而成。它具有低吸收，高损伤阈值等特点，可以增强腔镜的反射率达到激光谐振腔尾镜的要求。

(3)光栅位于多层介质膜之上，其刻线呈圆环状，并分布均匀，而且与腔镜同心。光栅刻线剖面为矩形。由于过光栅镜任一直径的入射面内，光栅对于一对正交的偏振态，P偏振分量和S偏振分量具有明显的反射率差异。因此，光栅具有很强的偏振选择特性。光栅的圆形刻蚀结构，可以使径向或环向轴对称偏振光体现出完美的圆对称性。高的偏振选择特性，有利于得到高纯度的径向或环向轴对称偏振光。

附图说明

图1为两类轴对称偏振光TEM_01*模的电矢量结构图；

图2为本发明实施例左视结构示意图；

图3为本发明实施例剖面结构示意图；

图4为本发明实施例正视结构示意图；

图5为本发明实施例典型结构示意图；

图6为本发明实施例典型结构的反射率与光栅深度之间的关系图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图2所示，本发明包括光栅1、多层介质膜2和基底3。

如图3，4所示，光栅1的刻线呈圆环状，并分布均匀，且与腔镜同心。中心未刻蚀区的直径为φ₃，其取值一般小于光栅的三十个周期。光栅镜刻蚀区的尺寸满足关系：φ₂＝φ₁-2*L，其中，φ₁为基底直径，φ₂为光栅刻蚀区圆环的直径。L为基底上未镀膜和未刻蚀光栅的圆环宽度。光栅作为偏振选择器件，仅对径向轴对称偏振光或环向轴对称偏振光具有较高的反射率，而对与之正交的环向轴对称偏振光或径向轴对称偏振光具有很低的反射率。圆形光栅刻蚀结构，可以使径向或环向轴对称偏振光体现出完美的圆对称性。高的偏振选择特性，有利于得到高纯度的径向或环向轴对称偏振光。

基底3具有热稳定性和机械特性好的特点，既可以是平面镜，也可以是凹面镜。高热稳定性的基底可以满足高功率的使用要求。

多层介质膜2位于光栅1和基底3之间，光栅层厚度小于多层介质膜总厚度。光栅1的刻线剖面为矩形。多层介质膜2的直径等于光栅刻蚀区的直径φ₂。多层介质膜2由高低折射率材料交替层叠而成，具有低吸收，高损伤阈值，高反射等特点。因此，多层介质膜2可以大大提高腔镜对光栅选择出来的径向或环向轴对称偏振光的反射率，使其达到激光谐振腔尾镜的要求。对于输出波长在远红外区的激光器，高折射率材料一般为锗、硒化锌、砷化镓等半导体材料，既具有对激光吸收率低，又有较大折射率的特点。而低折射率材料一般为四氟化钍，氟化钇等氟化物。同样，这些材料对激光有低吸收，又有较小折射率。对于输出波长在近红外区的激光器，高折射率材料一般为二氧化铪，二氧化钛、二氧化锆或五氧化二钽等金属氧化物材料，既具有对激光吸收率低，又有较大折射率的特点。而低折射率材料一般为对激光低吸收率低的二氧化硅。多层介质膜层数通常在2至21层之间。激光在各介质膜层中的光程为波长的四分之一，多层介质膜的总厚度由所采用的高、低折射率材料的折射率和设计的膜层数决定。

上述技术方案适用于不同输出波长、不同各种类的激光器所需的谐振腔镜，下面以输出波长为10.6微米的CO₂激光器为例，进一步详细地说明上述技术方案的具体实现过程。

如图5所示的光栅具体结构，对于输出波长为10.6微米的CO₂激光器，基底和光栅区均采用砷化镓。φ₁为27.94毫米，φ₂为22.00毫米，φ₃为0.20毫米。多层介质膜的高折射率材料为硒化锌，低折射率材料为四氟化钍，多层膜的层数为5层。光栅的周期Λ为6微米，光栅脊宽b为3微米，改变光栅的深度d计算得到两种偏振光的反射率曲线，如图6所示。当光栅深度d在1.50微米附近的区间A内(d大于1.40微米小于1.75微米)取值时，正入射的P偏振分量的反射率超过99.0％，而正入射S偏振分量的反射率均小于53.54％。同样，当光栅深度d在3.30微米附近的区间B内(d大于3.25微米小于4.25微米)取值时，正入射的P偏振分量的反射率超过99.0％，而正入射S偏振分量的反射率均小于88.41％。可见，在光栅的深度取值在区域A、B中时，这种光栅镜结构既具有高的反射率同时具有优良的偏振选择性，适宜于作为激光谐振腔的尾镜产生径向偏振光。因此，在制作光栅的时候可以在区域A、B中优选光栅的深度，使其一方面达到尾镜的要求，另一方面偏振选择性强，并具有较大的制造公差范围。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims

1.一种基于光栅的轴对称偏振谐振腔镜，其特征在于，它包括光栅（1）、多层介质膜（2）和基底（3）；

光栅（1）的刻线呈圆环状，并分布均匀，且与基底（3）同心，光栅（1）的刻线剖面为矩形，光栅镜刻蚀区的尺寸满足关系：

其中，为基底直径，为光栅刻蚀区圆环的直径，L为基底（3）上未镀膜和未刻蚀光栅的圆环宽度；多层介质膜（2）由高低折射率材料交替层叠而成；

多层介质膜（2）位于光栅（1）和基底（3）之间，光栅层厚度小于多层介质膜总厚度。

2.根据权力要求1所述的一种基于光栅的轴对称偏振谐振腔镜，其特征在于：基底（3）是平面镜或凹面镜。