CN104300348A - 一种用于选择角向偏振的内锥w形组合镜结构 - Google Patents

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内锥W形组合镜结构。它包括内锥镜和W形锥镜，内锥镜中心开有入射孔，所述W形锥镜的反射面由位于中央区域的外锥面和外周区域的内锥面组成，内锥镜的内锥反射面与外锥面相对布置，所述内锥反射面、内锥面和外锥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、外锥面和内锥面的锥角均为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内锥W形组合镜结构

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内锥W形组合镜结构。

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内锥W形组合镜结构，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内锥W形组合镜结构，包括固定在一起以光轴为中心旋转对称布置的内锥镜和W形锥镜，所述内锥镜中心开有入射孔，所述内锥镜上设有内锥反射面，所述W形锥镜的反射面由位于中央区域的外锥面和外周区域的内锥面组成，所述内锥反射面与外锥面相对布置，所述内锥反射面、内锥面和外锥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、外锥面和内锥面的锥角均为90度。

进一步地，所述内锥反射面、外锥面和内锥面上分别镀有金膜。

进一步地，所述W形锥镜的外锥面与内锥面的交接处设有过渡区域。

进一步地，所述过渡区域为垂直于光轴的环形平面。

进一步地，所述过渡区域为分别与外锥面和内锥面相切的环形弧面。

更进一步地，所述内锥镜和W形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，通过三个锥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沿平行于入射光方向向外射出，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。

本发明的组合镜结构简单，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W形锥镜的结构示意图。

图5为本发明W形锥镜的侧视图。

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、W形锥镜；3、入射孔；4、内锥反射面；5、外锥面；6、内锥面；7、光轴；8、激光束；9、环形平面。

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呈中心对称布置的内锥镜1和W形锥镜2，其中，内锥镜1是内锥结构，只有一个内锥反射面4，其中心区域开有入射孔3，作为激光束8的入口；W形锥镜2的中间部分为外锥结构，外周部分为内锥结构，其反射面由位于中央区域的外锥面5和外周区域的内锥面6组成，外锥面5与内锥面6的交接处设有一个宽度为D的过度区域9，过渡区域9可以为垂直于光轴的环形平面，也可以为分别与外锥面5和内锥面6相切的环形弧面。该区域的设置主要是为了降低加工的难度，该过渡区域的宽度可根据加工工艺要求而适当调整，以便于制作。内锥反射面4、外锥面5和内锥面6均为具有为高反射率的平面，内锥反射面4与外锥面5以相对平行布置的方式安装在一起，内锥反射面4、外锥面5和内锥面6形成内部中空的多次反射组合结构，三者以光轴7为中心旋转对称。为保证入射的光线能够沿与入射光平行向外射出，内锥反射面4、外锥面5和内锥面6的锥角α均为90°，即入射光线与内锥反射面4、外锥面5和内锥面6的夹角均为45°。内锥反射面4、外锥面5和内锥面6的锥角并不限于90°，当内锥反射面4和内锥面6的锥角相同，且外锥面5和内锥面6的锥角互为补角时也能达到同样效果。

内锥镜1与W形锥镜2均为具有高反射率的金属铜镜，内锥反射面4、外锥面5和内锥面6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、外锥面5和内锥面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。

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、D来调整，其中，A为内锥反射面4的高度，B为内锥面6的高度，C为外锥面5的高度，D为环形平面9的宽度。本实施例例中，激光束8中的任意一路光线进入该组合镜后，先在光轴7一侧完成5次反射，再进入对称的另一侧完成另外5次反射，即将依次在内部反射锥面(5、4、6、5、4、4、5、6、4、5)上发生10次反射，然后与入射光平行，并以光轴7对称的另一侧向外射出。

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：R_s＝((n-cosθ)²+k²)/((n+cosθ)²+k²)和R_p＝((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R_s＞R_p。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内锥W形组合镜结构，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W形锥镜(2)，内锥镜(1)中心开有入射孔(3)，所述内锥镜(1)上设有内锥反射面(4)，所述W形锥镜(2)的反射面由位于中央区域的外锥面(5)和外周区域的内锥面(6)组成，所述内锥反射面(4)与外锥面(5)相对布置，所述内锥反射面(4)、内锥面(6)和外锥面(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)、外锥面(5)和内锥面(6)的锥角均为90°。

2.根据权利要求1所述的一种用于选择角向偏振的内锥W形组合镜结构，其特征在于：所述内锥反射面(4)、外锥面(5)和内锥面(6)上分别镀有金膜。

3.根据权利要求1所述的一种用于选择角向偏振的内锥W形组合镜结构，其特征在于：所述W形锥镜(2)的外锥面(5)与内锥面(6)的交接处设有过度区域(9)。

4.根据权利要求3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：所述过渡区域(9)为垂直于光轴的环形平面。

5.根据权利要求3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：所述过渡区域(9)为分别与外锥面(5)和内锥面(6)相切的环形弧面。

6.根据权利要求1-5所述的任一一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W形锥镜(2)均为具有高反射率的金属铜镜。