CN104297939A - 一种用于选择角向偏振的激光器尾镜组件 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种用于选择角向偏振的激光器尾镜组件。它包括内锥镜和外锥镜，内锥镜中心开有入射孔，所述外锥镜上设有外锥反射面和环形反射面，内锥镜的内锥反射面与外锥反射面相对布置，所述内锥反射面、环形反射面、外锥反射面依次相接形成内部中空的多次反射组合结构，内锥反射面和外锥反射面的锥角均为90度。本发明结构简单，对称性好、抗失调能力强，热稳定性能和机械性能优良，制作简单，成本低，可广泛应用于气体、固体和半导体激光器产生高功率、高纯度的角向偏振光。

Description

一种用于选择角向偏振的激光器尾镜组件
技术领域
本发明属于光学技术领域，具体涉及一种用于选择角向偏振的激光器尾镜组件。
背景技术
角向偏振光是一种环状光束，环上任一点的偏振方向均垂直于径向，对激光器输出的激光束进行处理可以得到角向偏振光。由于角向偏振光的特殊偏振矢量结构，使其在很多领域得到了应用。在科学研究领域，角向偏振光可用于引导原子。在强聚焦下，角向偏振光也可以作为“光镊子”实现对粒子捕获。角向偏振光还可以用于双光子荧光成像，突破衍射极限，提高分辨率。在工业加工领域，角向偏振光可用于打孔和焊接，以提高打孔和焊接深度；角向偏振光也可通过外光学系统转换而变成径向偏振光，以提高切割速度和加工质量。
目前，角向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组合波片、光栅等元件对激光器产生的线偏振光作空间重排，或使用一对偏振正交的TEM01光束相干叠加得到。主动方式一般采用双折射晶体或圆形光栅镜等偏振选择性元件在激光谐振腔中实现角向偏振光的振荡输出。相比于被动方法，主动方法转化效率高，可以实现高功率输出。实验研究表明，采用主动方法得到角向偏振光，仅需要偏振选择器件对S偏振光的反射率至少比P偏振光的反射率高4％，就可以得到高纯度的角向偏振光。但是由于双折射晶体的产生方法需要配合小孔选模等其他技术，实现起来稳定性差，得到的角向偏振光偏振纯度不高；而光栅镜设计制作复杂，价格比较昂贵。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种结构简单、成本低的用于选择角向偏振的激光器尾镜组件，应用于激光器时能够产生高纯度的角向偏振光。
本发明采用的技术方案是：一种用于选择角向偏振的激光器尾镜组件，包括固定在一起以光轴为中心旋转对称布置的内锥镜和外锥镜，内锥镜中心开有入射孔，所述外锥镜上设有外锥反射面和环形反射面，所述内锥镜上设有内锥反射面，所述内锥反射面与外锥反射面相对布置，所述内锥反射面、环形反射面、外锥反射面依次相接形成内部中空的多次反射组合结构，所述内锥反射面和外锥反射面的锥角均为90度。
进一步地，所述内锥反射面、外锥反射面和环形反射面上分别镀有金膜。反射面上渡金膜可进一步提高激光的反射率。
进一步地，所述环形反射面为垂直于光轴的平面。
进一步地，所述环形反射面为大曲率半径的球面或凹面。
进一步地，所述球面或凹面的曲率半径为10-30m。
更进一步地，所述内锥镜和外锥镜均为具有高反射率的金属铜镜。
本发明充分利用金属锥面反射镜对S-偏振光的反射率要高于对P-偏振光的反射率的特点，通过两个锥形反射面和一个环形反射面形成一个中空的多次反射组合结构，激光束射入组合镜后，在组合镜内多次反射后再按原路返回向外射出，经过在组合镜内的多次锥面反射后，S-偏振光保持很高的反射率，而P-偏振光则损耗较大，最终能在激光谐振腔内起振并维持的偏振态就只有角向偏振。将该组合镜用做谐振腔尾镜，就可以在腔内有效抑制P-偏振光，而仅让S-偏振光形成振荡，从而起到角向偏振选择的作用。
本发明的尾镜组件结构简单，偏振选择性好、抗损伤阈值高、对称性好、抗失调能力强，热稳定性能和机械性能优良，制作简单，成本低，可广泛应用于气体、固体和半导体激光器产生高功率、高纯度的角向偏振光。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明内锥镜的结构示意图。
图3为本发明内锥镜的侧视图。
图4为本发明外锥镜的结构示意图。
图5为本发明外锥镜的侧视图。
图6为金属铜镜对S-偏振光和P-偏振光反射率与入射角的关系曲线图。
图中：1、内锥镜；2、外锥镜；3、入射孔；4、内锥反射面；5、外锥反射面；6、环形反射面；7、光轴；8、激光束。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图1-5所示，本发明的组合镜结构包括固定在一起以光轴为中心旋转对称布置的内锥镜1和外锥镜2，内锥镜1中心开有入射孔3。其中，内锥镜1只有一个内锥反射面4，外锥镜2由一个外锥反射面5和一个环形反射面6组成，内锥反射面4和外锥反射面5分别与环形反射面6的外边缘和内边缘相接。内锥反射面4、外锥反射面5和环形反射面6均为具有为高反射率的平面，三者以光轴7为中心旋转对称。内锥反射面4与外锥反射面5以相对的方式安装在一起，形成一个内部中空的多次反射组合结构。为保证入射的光线能够沿原路返回向外射出，内锥反射面4和外锥反射面5的锥角均为90°，即入射光线与内锥反射面4和外锥反射面5的夹角为45°，对45°入射的S-偏振光和P-偏振光的反射率稍高。内锥反射面4和外锥反射面5的锥角并不限于90度，两者相同也能达到同样效果。
内锥镜1与外锥镜2均为具有高反射率的金属铜镜，内锥反射面4和外锥反射面5对S-偏振光的反射率要稍高于P-偏振光的反射率。可以在内锥反射面4、外锥反射面5和环形反射面6表面镀金膜，来进一步提高激光反射率，也可以镀其他特殊偏振选择膜，来增大S-偏振光和P-偏振光的反射率差别，以提高偏振选择能力。环形反射面6对不同偏振态均具有高反射率，可以是垂直于光轴的平面，也可以是具有大曲率半径的球面或环形凹面，当其为球面或凹面时，曲率半径范围在10-30m内选择，具有较好的稳定性。
S-偏振光和P-偏振光的反射率差别将随着组合镜内的锥面反射次数的增加而变大。而锥面反射次数可通过组合镜的结构参数A、B、C来调整，其中，A为内锥反射面4的高度，B为环形反射面6的宽度，C为外锥反射面5的高度。本方案示例中，激光束8中的任意一路光线进入该组合镜后，将依次在内部反射面(5、4、5、4、6、4、5、4、5)上发生9次反射，然后按原路返回向外射出。其中，内锥反射面4和外锥反射面5上的反射次数为8次，将直接影响S-偏振光和P-偏振光的反射率差别。
金属铜镜对S-偏振光和P-偏振光的反射率随入射角的变化曲线，这两种偏振光反射率的数学表达式分别为：Rs＝((n-cosθ)2+k2)/((n+cosθ)2+k2)和Rp＝((n-secθ)2+k2)/((n+secθ)2+k2)，其中，θ为入射角，n和k分别为反射面材料折射率的实部和虚部。对于平面反射铜镜，当入射角θ＝0°时，S-偏振光和P-偏振光的反射率没有差别。而对于相同金属铜材的内锥反射镜和外锥反射镜，当入射角θ＝45°时，此时从图6中可明显看出，S-偏振光的反射率要高于P-偏振光的反射率，即Rs＞Rp。因此，当S-偏振光和P-偏振光经过上述组合镜的金属锥面m次反射后，其总的反射率就分别为和即两种偏振光的反射率差别将随着反射次数的增加而越来越大。将该组合镜用做谐振腔尾镜，就可以在腔内有效抑制P-偏振光，而仅让S-偏振光形成振荡，从而起到角向偏振选择的作用。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种用于选择角向偏振的激光器尾镜组件，其特征在于：包括固定在一起以光轴为中心旋转对称布置的内锥镜(1)和外锥镜(2)，内锥镜(1)中心开有入射孔(3)，所述外锥镜(2)上设有外锥反射面(5)和环形反射面(6)，所述内锥镜(1)上设有内锥反射面(4)，所述内锥反射面(4)与外锥反射面(5)相对布置，所述内锥反射面(4)、环形反射面(6)、外锥反射面(5)依次相接形成内部中空的多次反射组合结构，所述内锥反射面(4)和外锥反射面(5)的锥角均为90度。
2.根据权利要求1所述的一种用于选择角向偏振的激光器尾镜组件，其特征在于：所述内锥反射面(4)、外锥反射面(5)和环形反射面(6)上分别镀有金膜。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于选择角向偏振的激光器尾镜组件，其特征在于：所述环形反射面(6)为垂直于光轴的平面。
4.根据权利要求1或2所述的一种用于选择角向偏振的激光器尾镜组件，其特征在于：所述环形反射面(6)为大曲率半径的球面或凹面。
5.根据权利要求4所述的一种用于选择角向偏振的W形组合镜结构，其特征在于：所述球面或凹面的曲率半径为10-30m。
6.根据权利要求1所述的一种用于选择角向偏振的激光器尾镜组件，其特征在于：所述内锥镜(1)和外锥镜(2)均为具有高反射率的金属铜镜。
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