CN104485574A - 激光线宽压缩模块及窄线宽激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光谐振腔的线宽压窄模块。该模块为一集成光学器件，其中棱镜状本体的两个侧面分别构成入射面和反射面，反射面为反射型闪耀光栅，可以解决低增益激光器中由于光学系统复杂、光学元件表面损耗带来的出光困难难题，并且该模块光学集成度高，调节以及使用简单。该模块具有良好的波长选择特性，和较好的抗损伤阈值。用该模块搭建的激光谐振腔，光学元件少，抗干扰能力强，可用于环境复杂的场合。

Description

激光线宽压缩模块及窄线宽激光器

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特别是一种用于激光线宽压缩和选线的光学元件，本发明公开的线宽压缩元件集成度高，调节简单，易于使用，高度的集成特性，使得该元件特别适用于环境复杂，对谐振腔稳定度要求高的场合。

背景技术

激光器的线宽是指激光器输出的光谱的带宽，通常采用光谱峰值的半高宽度为激光线宽。线宽压缩的目的是获得高的激光谱功率密度。现有激光器中的线宽压缩模块多采用光栅和其他光学器件的组合，基本压缩原理主要是色散原理。但由于采用了分立的光学元件，增加了光学系统的复杂度和调节难度，降低了激光器系统的抗外界干扰性能，限制了激光器系统的环境适用性。

发明内容

本发明将多个光学元件集成为一体，成为一个单一的独立的光学元件，简化了激光器光学系统，增强了激光器环境适用性。本发明提供一种激光谐振腔的线宽压缩模块，可以解决低增益激光器由于光学系统复杂、光学元件表面损耗带来的出光困难难题，并且该模块光学集成度高，调节、使用简单。用该模块搭建的激光谐振腔，光学元件少，抗干扰能力强，可用于环境复杂的场合。

本发明技术方案如下：

一种激光线宽压缩模块，包括对该激光波长高透射的棱镜状本体，所述的棱镜状本体的两个侧面分别构成入射面和反射面，所述的反射面为反射型闪耀光栅，从入射面入射的激光经棱镜状本体折射后入射至反射型闪耀光栅后，反射型闪耀光栅的1级衍射光沿入射激光原路返回。

上述激光线宽压缩模块中，所述的入射面和反射面构成的顶角θ满足其中θ_in为激光入射至入射面的入射角，n为棱镜状本体的介质折射率，d为光栅周期，λ为激光波长

上述激光线宽压缩模块中，在入射面上镀有对该波长激光的增透膜。

上述激光线宽压缩模块中，所述的棱镜状本体采用石英、K9或CaF₂玻璃制成。

上述激光线宽压缩模块中，所述的反射面采用胶合的方法粘贴在棱镜状本体上，或者在棱镜本体上直接刻画出周期形貌。

一种利用上述激光线宽压缩模块构成的窄线宽激光器，激光器增益介质的一端设置有半透半反射的输出镜，增益介质的另一端设置有激光线宽压缩模块。

上述窄线宽激光器中，在输出镜和增益介质之间设置有光阑。

一种利用上述激光线宽压缩模块构成的窄线宽激光器，激光器增益介质的一端设置有全反射腔镜，增益介质的另一端设置有激光线宽压缩模块，所述的激光由反射型闪耀光栅的0级方向出射。

上述窄线宽激光器中，在全反射腔镜和增益介质之间设置有光阑。

本发明具有的技术效果如下：

1、本发明简化了线宽压窄模块，减少了实际光学元件的数目，调节简单，使用方便，抗外界干扰能力腔，减小了每个光学元件表面反射带来的损耗，特别适用于搭建低增益且具有选线功能的激光谐振腔。同时本发明具有棱镜和光栅的双重色散特性，可用于搭建色散效率较高的色散腔。

2、本发明特殊的顶角设计可以使得工作波长的光沿入射光路返回，具有光学反馈功能。将激光线宽压缩模块应用到激光器增益介质反馈中，可具备选线和光学反馈双重功能。

3、本发明利用衍射光栅不同衍射级分别作为激光器的输出端和反馈端，可大大优化激光器的结构，提高光栅衍射光的利用效率。此结构利用光栅0级衍射光输出，使得激光器的半反射腔镜变成了全反射镜，可以减小激光器谐振腔的光学损耗，降低激光器振荡阈值，提高激光输出能量。

4、本发明采用斜入射方式，光束宽度变宽，增大了入射至器件的入射面积，可以降低入射至工作面的光功率密度，延长器件使用寿命。

5、本发明采用布儒斯特角入射方式，可以提高激光器的偏振度，也可以降低谐振腔的光学损耗；同时入射面采用增透膜方式，减少谐振腔的光学插入损耗。

附图说明

图1为本发明整体式线宽压缩模块的结构及原理示意图；

图2为本发明胶合式线宽压缩模块的结构及原理示意图；

图3为本发明胶合式线宽压缩模块中光栅的结构示意图；

图4为本发明包含增透膜的线宽压缩模块的结构及原理示意图；

图5为利用本发明线宽压缩模块作为反馈腔镜构成的激光器原理示意图；

图6为利用本发明线宽压缩模块同时作为反馈腔镜和输出腔镜的激光器原理示意图。

附图标记：1—入射面；2—反射面；3—光栅；4—光栅反射膜；5—周期结构；6—透明基底；7—增透膜；10—半透半反射输出镜；11—光阑；12—增益介质；13—全反射腔镜。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种激光谐振腔的线宽压窄模块，该模块为一集成光学体器件，该模块具有棱镜外貌特征，主要工作面有两个，一个为入射面1，另一个为具有特殊周期结构特征的反射面2，入射面1和反射面2之间具有一个特殊的夹角θ。

其中入射面1为平面，根据需要可镀增透射膜减少反射损失，或者在不镀膜情况下，光以布儒斯特角入射到线宽压窄模块的入射面1。线宽压窄模块的材料对于工作波长为透明材料，例如工作波长在可见光范围内，常用的材料有石英、K9、CaF₂玻璃等。

线宽压窄模块的反射面2为一具有一定周期结构5面型的内反射表面，具有一定的色散特性。其中周期结构5形成一个内反射的光栅面，周期结构5外表面镀有高反射膜，以形成内反射。该反射面同时具有色散特性和闪耀特性，可以将特定波长的光能量集中到特定的方向，此外，具有周期和闪耀特性的面型结构还可以降低谐振腔反馈损耗。

内反射光栅的加工方法可以在光学材料上加工出所需要的周期结构，常见的加工方法有直接法和胶合法。

直接法是直接在反射面2上形成周期性闪耀结构，如果选择的元件材料质地相对较软，如聚碳酸脂材料(折射率1.58)，有一定韧性，易于加工，可以在反射面2上直接刻画出周期结构，再镀全反射膜；如果元件材料较硬，地质较脆，可以再在反射面2上镀上一层较软的光学材料，如在反射面2上镀一层透明基底材料如MgF₂，在MgF₂上刻划出需要的周期形貌，然后在该形貌的基础上镀多层膜系结构，形成全反射膜。直接法加工后的器件如图1所示。

胶合法是可以选择在易于加工的透明基地6材料上如有机玻璃表面刻画出周期结构5，并在周期面上镀全反射膜(如图3所示)，最后胶合在反射面2上。胶合后的器件结构如图2所示。

如图4所示，线宽压窄模块入射面镀增透膜7情况下，光以大角方式入射到该线宽压窄模块入射面。线宽压窄模块不镀增透膜情况下，光以特定偏振态以布儒斯特角入射到所述线宽压窄模块的入射面。

线宽压窄模块入射面1和反射面2之间的夹角θ是特殊设计的，它使得特定波长(工作波长为λ)的入射光以同样的角度反射出该线宽压窄模块，为谐振腔提供光学反馈，由入射角、材料折射率和反射面2的周期间隔共同决定。θ角度可以按照下式计算

$\mathrm{\θ}=\arcsin \left(\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{in}}}{n}\right)+\arcsin \left(\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{nd}}\right)$

其中θ_in为入射角，n为介质折射率，d为光栅周期，λ为入射波长。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种光学集成度高，调节使用方便的光学元件。当入射光斜入射到元件的入射面1后，发生折射，光束宽度变宽，然后入射到反射面2，在反射面2发生衍射，特定波长的光可以按入射光的方向反射，该元件具有波长选择特性和光学反馈特性。

图1、图2和图3为本发明的基本结构图，其特征包括有入射面1、反射面2，以及入射面1和反射面2之间特殊的夹角θ。反射面2具有一定的周期结构。工作波长的光从入射面1进入所述元件，在具有周期结构和闪耀特性的反射面2上发生色散并产生衍射，闪耀级次被准直回到原来的光路，由入射面1出射，按原光路返回，在谐振腔内形成光学反馈。

图4为反射面2周期面结构的工作方式图，所刻周期结构具有闪耀光栅的特性，可以使从玻璃介质内部入射到反射面2的光发生色散，并衍射出多个级次；其次，周期微槽面结构具有闪耀特性，可以将需要的光能量集中到某一个特定级次上(如常用的1级衍射光)，以提高衍射效率。

下述为两个加工实例，所选元件工作波长、光学材料，以及光栅周期等仅仅为了说明设计需要，依据实际使用情况不同而不同，不做限定。

元件材料取石英玻璃，元件工作波长取532nm，材料折射率为1.45。面1为入射面，光以布儒斯特角度入射。面2为反射面，设计为1200lines/mm的光栅结构，设计成为闪耀模式，面1和面2之间的夹角为47.3°。该光学元件可以使得532nm入射光按照原路返回，可以作为YAG激光器谐振腔的色散元件和光学反馈元件。

元件材料取石英玻璃，元件工作波长取532nm，材料折射率为1.45。面1为入射面，光以大角度(如75°角)，略入射方式进入光学元件。面1表面镀75°针对532nm的增透膜或者增透窄带膜。面2为反射面，设计为1200lines/mm的光栅结构，设计成为闪耀模式，面1和面2之间的夹角为54.5°。该光学元件可以使得532nm入射光按照原路返回，可以作为YAG激光器谐振腔的色散元件和光学反馈元件。

图5、图6为使用本发明搭建激光色散腔的实例。图5为利用线宽压缩模块作为反馈腔镜构成的激光器谐振腔。谐振腔由半透半反射输出镜10和线宽压缩模块组成，其特点是线宽压缩模块的1级衍射光只做为激光谐振腔的反馈光，输出光由输出镜耦合出腔外。具体为：线宽压缩模块产生的1级衍射光经过增益介质12在线宽压缩模块和输出镜10之间反馈振荡，形成激光。输出镜10镀部分反射膜，将谐振腔内振荡的1级光能量一部分耦合出谐振腔，另一部分反馈回腔内。线宽压缩模块仅仅起到光学反馈的作用。

图6为利用线宽压缩模块作为输出腔镜的激光器谐振腔。谐振腔由全反腔镜13和所述的线宽压缩模块组成，其特点是线宽压缩模块1级衍射光做为反馈光，用0级耦合出谐振腔能量。线宽压缩模块产生的1级衍射光在谐振腔内振荡形成激光，通过色散元件的0级衍射光将激光能量耦合输出到谐振腔外。线宽压缩模块同时起到反馈和输出的作用。图6中的激光器利用衍射光栅不同衍射级分别作为激光器的输出端和反馈端，相比于图5的工作方式，此结构利用光栅0级衍射光输出，半反射镜变成了全反射镜，可以减小激光器谐振腔的光学损耗，降低激光器振荡阈值，提高激光输出能量。

Claims (9)

1.一种激光线宽压缩模块，其特征在于：包括对该激光波长高透射的棱镜状本体，所述的棱镜状本体的两个侧面分别构成入射面(1)和反射面(2)，所述的反射面(2)为反射型闪耀光栅(3)，从入射面(1)入射的激光经棱镜状本体折射后入射至反射型闪耀光栅(3)后，反射型闪耀光栅(3)的1级衍射光沿入射激光原路返回。

2.根据权利要求1所述的激光线宽压缩模块，其特征在于：所述的入射面(1)和反射面(2)构成的顶角θ满足

$\mathrm{\θ}=\arcsin \left(\frac{{\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{in}}}{n}\right)+\arcsin \left(\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{nd}}\right)$

其中θ_in为激光入射至入射面的入射角，n为棱镜状本体的介质折射率，d为光栅周期，λ为激光波长。

3.根据权利要求1所述的激光线宽压缩模块，其特征在于：在入射面(1)上镀有对该波长激光的增透膜(7)。

4.根据权利要求1所述的激光线宽压缩模块，其特征在于：所述的棱镜状本体采用石英、K9或CaF₂玻璃光学透明材料制成。

5.根据权利要求1所述的激光线宽压缩模块，其特征在于：所述的反射面(2)采用胶合的方法粘贴在棱镜状本体上，或者在棱镜本体上直接刻画出周期形貌。

6.一种利用权利要求1所述的激光线宽压缩模块构成的窄线宽激光器，其特征在于：激光器增益介质(12)的一端设置有半透半反射输出镜(10)，增益介质(12)的另一端设置有激光线宽压缩模块。

7.根据权利要求6所述的窄线宽激光器，其特征在于：在半透半反射输出镜(10)和增益介质(12)之间设置有光阑(11)。

8.一种利用权利要求1所述的激光线宽压缩模块构成的窄线宽激光器，其特征在于：激光器增益介质(12)的一端设置有全反射腔镜(13)，增益介质(12)的另一端设置有激光线宽压缩模块，所述的激光由反射型闪耀光栅的0级方向出射。

9.根据权利要求8所述的窄线宽激光器，其特征在于：在全反射腔镜(13)和增益介质(12)之间设置有光阑(11)。