CN106329304A - 一种偏振可控的激光谐振腔镜 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光光学技术领域，提出一种正入射角度下的偏振激光反射镜，其特征在于通过使用棱镜转向和薄膜偏振分光的方法，通过设计固定棱镜角度的偏振分光薄膜，实现S偏振和P偏振光的有效分离，使正入射的偏振光经过偏振反射棱镜后成为S偏振光。本发明的内容可拓展不同的棱镜基底材料和膜层材料，直接结果可应用于有偏振需求的激光器件中。

Description

一种偏振可控的激光谐振腔镜

技术领域

本发明属于激光光学技术领域，特别是有关激光器谐振腔控制偏振输出的技术，涉及一种偏振可控的激光谐振腔镜。

背景技术

偏振态是表征激光性能的重要参数之一，长期以来人们一直致力于提升激光的功率和光束质量，但是对偏振态的研究却相对较少。在激光的应用方面，对偏振光的需求不尽相同，如在激光加工技术领域中，径向偏振光和圆偏振光的切割效果优于线偏振光，在切割效率上P偏振光、径向偏振光和圆偏振光的效率各不相同。在激光测量与探测上，可以用于样品的应力分布测试，在气象上可以测量云、雾、雨的偏振特性等。在激光主动成像与探测技术应用上，增加偏振特性的探测，可实现多维度的激光成像与探测。

目前，实现激光偏振态的控制方法主要以下几种：1)利用原子在磁场下的效应，通过控制激光工作物质实现偏振控制；2)通过改变谐振腔长度调整激光纵模的模式数；3)在激光光路中加入布儒斯特窗口，利用布儒斯特效应实现S和P偏振态的调整；4)通过改变激光谐振的结构，实现不同本征偏振态的输出；5)采用反射镜的相移膜和偏振分束薄膜实现偏振态控制；6)采用偏振片或波片等光学元件放置于激光器出射光束的光路中的方法实现偏振态转换；7)在激光器出射端面集成等离子体纳米器件,实现对激光偏振态的控制。在这些方法的应用中，如采用布儒斯特式窗片实现S和P偏振态的控制问题，一般不能采用正入射的方式；如果在激光谐振腔镜上直接控制S偏振或P偏振输出，对于激光的应用可以减少偏振控制的附加元件，如何在正入射的情况下通过谐振腔镜实现S或P偏振的输出则具有重要意义。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：在不使用平板偏振片或布儒斯特式谐振腔腔镜的方式下，如何在谐振腔镜上同时实现高反射和偏振控制，简化谐振腔结构实现激光谐振腔的偏振输出。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种偏振可控的激光谐振腔镜，其包括：第一直角棱镜A和第二直角棱镜B，第一直角棱镜A的三个侧面分别记为：第一直角表面a、第二直角表面b和第一斜面c，第二直角棱镜B的两个相邻的侧面分别记为：第三直角表面d和第二斜面c’；第一直角棱镜A和第二直角棱镜B胶合，胶合面为两直角棱镜的第一斜面c和第二斜面c’，第一直角表面a和第三直角表面d相对，第二直角表面b和第三直角表面d相邻；第一直角表面a上制备减反射薄膜，第二直角表面b上制备高反射薄膜，第三直角表面d上制备减反射薄膜，第二斜面c’制备S偏振和P偏振分光薄膜。

其中，所述第一直角棱镜A和第二直角棱镜B均为等腰直角棱镜。

其中，胶合后的所述激光谐振腔镜在应用时，以第一直角表面a的法线方向为入射方向。

其中，所述第一直角表面a和第三直角表面d的减反射薄膜结构为Sub/αHβL/Air，其中Sub为基底，Air为空气，α和β分别为高、低折射率膜层的光学厚度系数，如下所示：

$\mathrm{\α}=\frac{2}{\mathrm{\π}}atan\left(\sqrt{\frac{(n_s-n_0)(n_0{n}_s-n_L^2)n_H^2}{(n_L^2{n}_s-n_0{n}_H^2)(n_H^2-n_0{n}_s)}}\right)---\left(1\right)$

$\mathrm{\β}=\frac{2}{\mathrm{\π}}atan\left(\sqrt{\frac{(n_s-n_0)(n_H^2-n_0{n}_s)n_L^2}{(n_L^2{n}_s-n_0{n}_H^2)(n_0{n}_s-n_L^2)}}\right)---\left(2\right)$

其中，减反射薄膜的薄膜结构采用两种薄膜材料，折射率分别为n_H和n_L，其中n_H>n_L，棱镜的折射率为ns，空气折射率为n₀，激光工作波长为λ₀，用H和L分别代表为高、低折射率材料的λ₀/4光学厚度。

其中，所述第二直角表面b的高反射薄膜结构为Sub/1H(1L1H)^m 2L/Air，其中，Sub为基底，Air为空气，H和L分别代表为高、低折射率材料的λ₀/4光学厚度。

其中，所述第二斜面c’的偏振分光薄膜结构为Sub/(1.1637H1.6351L)^n1.1637H/Sub，Sub为基底，H和L分别代表为高、低折射率材料的λ₀/4光学厚度。

其中，所述第一直角棱镜A和第二直角棱镜B选用熔融石英作为棱镜材料，两个棱镜表面的膜层材料中，高折射率膜层材料为五氧化二钽，低折射率膜层材料为二氧化硅。

其中，第一直角棱镜A的第一直角表面a上减反射薄膜结构为：

Sub/0.3608H 1.3181L/Air。

其中，第一直角棱镜A的第一直角表面b上高反射薄膜结构为：

Sub/1H(1L 1H)^15 2L/Air。

其中，第二直角棱镜B的第二斜面c’上分光薄膜结构为：

Sub/(1.1637H 1.6351L)^12 1.1637H/Sub。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的偏振可控的激光谐振腔镜，通过棱镜的方式实现偏振控制，可不采用布儒斯特式谐振腔镜或者平板偏振片，可有效保证激光输出的偏振特性，降低偏振输出的角度敏感性，进而可有效地实现谐振腔小型化和充分利用谐振腔内的激光能量，有助于降低激光器系统的复杂性并提高可靠性。

附图说明

图1-激光谐振腔镜示意图。

图2-棱镜A的示意图。

图3-棱镜B的示意图。

图4-棱镜A的a面/棱镜B的d面减反射膜光谱透射率。

图5-棱镜A的b面高反射薄膜光谱反射率。

图6-棱镜B的c面偏振分光光谱反射率。

图7-正入射偏振控制反射镜的光谱反射率。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

参照图1至图3所示，本实施例激光谐振腔镜包括直角棱镜A和直角棱镜B，直角棱镜A的三个侧面分别记为：直角表面a、直角表面b和斜面c，直角棱镜B的两个相邻的侧面分别记为：直角表面d和斜面c’；直角棱镜A和直角棱镜B胶合，胶合面为两直角棱镜的斜面c和斜面c’，直角表面a和直角表面d相对，直角表面b和直角表面d相邻；直角表面a上制备减反射薄膜，直角表面b上制备高反射薄膜，直角表面d上制备减反射薄膜，斜面c’制备S偏振和P偏振分光薄膜。

其中，直角棱镜A和直角棱镜B均为等腰直角棱镜。

胶合后的激光谐振腔镜在应用时，以直角表面a的法线方向为入射方向。

直角表面a和直角表面d的减反射薄膜结构为Sub/αHβL/Air，其中Sub为基底，Air为空气，α和β分别为高、低折射率膜层的光学厚度系数，如下所示：

$\mathrm{\α}=\frac{2}{\mathrm{\π}}atan\left(\sqrt{\frac{(n_s-n_0)(n_0{n}_s-n_L^2)n_H^2}{(n_L^2{n}_s-n_0{n}_H^2)(n_H^2-n_0{n}_s)}}\right)---\left(1\right)$

$\mathrm{\β}=\frac{2}{\mathrm{\π}}atan\left(\sqrt{\frac{(n_s-n_0)(n_H^2-n_0{n}_s)n_L^2}{(n_L^2{n}_s-n_0{n}_H^2)(n_0{n}_s-n_L^2)}}\right)---\left(2\right)$

其中，减反射薄膜的薄膜结构采用两种薄膜材料，折射率分别为n_H和n_L(其中n_H>n_L)，棱镜的折射率为ns，空气折射率为n₀，激光工作波长为λ₀，用H和L分别代表为高、低折射率材料的λ₀/4光学厚度。

直角表面b的高反射薄膜结构为Sub/1H(1L 1H)^m 2L/Air，其中，Sub为基底，Air为空气，H和L分别代表为高、低折射率材料的λ₀/4光学厚度。

斜面c’的偏振分光薄膜结构为Sub/(1.1637H 1.6351L)^n1.1637H/Sub，Sub为基底，H和L分别代表为高、低折射率材料的λ₀/4光学厚度。

进一步地，各个表面的膜层结构中，选用熔融石英作为棱镜材料，高折射率膜层材料为五氧化二钽，低折射率膜层材料为二氧化硅。

下面以具体的实例对本发明做进一步详细描述。

以熔融石英材料(n_s＝1.4573)作为棱镜材料为例，高折射率膜层材料为五氧化二钽(n_H＝2.0894)，低折射率膜层材料为二氧化硅(n_L＝1.4726)，设计激光波长λ₀为633nm。

1)第一块棱镜A的a表面减反射薄膜结构如下，光谱透射率曲线见附图4：

Sub/0.3608H 1.3181L/Air

2)第一块棱镜A的b表面高反射薄膜结构如下，光谱反射率曲线见附图5：

Sub/1H(1L 1H)^15 2L/Air

3)第二块棱镜B的c表面分光薄膜结构如下，光谱透射率曲线见附图6。

Sub/(1.1637H 1.6351L)^12 1.1637H/Sub

4)将两块棱镜直角面胶合在一起构成正入射偏振控制反射镜，以a面的法线方向为入射方向，反射镜的光谱反射率如附图7所示，S偏振的反射率为99.99％。

综上，本发明提供了一种激光谐振腔镜的设计结构，采用此结构将谐振腔镜的反射功能和偏振控制功能集成在一起，可有效保证激光输出的偏振特性，降低偏振输出的角度敏感性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种偏振可控的激光谐振腔镜，其特征在于，包括：第一直角棱镜(A)和第二直角棱镜(B)，第一直角棱镜(A)的三个侧面分别记为：第一直角表面(a)、第二直角表面(b)和第一斜面(c)，第二直角棱镜(B)的两个相邻的侧面分别记为：第三直角表面(d)和第二斜面(c’)；第一直角棱镜(A)和第二直角棱镜(B)胶合，胶合面为两直角棱镜的第一斜面(c)和第二斜面(c’)，第一直角表面(a)和第三直角表面(d)相对，第二直角表面(b)和第三直角表面(d)相邻；第一直角表面(a)上制备减反射薄膜，第二直角表面(b)上制备高反射薄膜，第三直角表面(d)上制备减反射薄膜，第二斜面(c’)制备S偏振和P偏振分光薄膜。

2.如权利要求1所述的偏振可控的激光谐振腔镜，其特征在于，所述第一直角棱镜(A)和第二直角棱镜(B)均为等腰直角棱镜。

3.如权利要求1所述的偏振可控的激光谐振腔镜，其特征在于，胶合后的所述激光谐振腔镜在应用时，以第一直角表面(a)的法线方向为入射方向。

4.如权利要求1所述的偏振可控的激光谐振腔镜，其特征在于，所述第一直角表面(a)和第三直角表面(d)的减反射薄膜结构为Sub/αHβL/Air，其中Sub为基底，Air为空气，α和β分别为高、低折射率膜层的光学厚度系数，如下所示：

$\mathrm{\α}=\frac{2}{\mathrm{\π}}atan\left(\sqrt{\frac{(n_s-n_0)(n_0{n}_s-n_L^2)n_H^2}{(n_L^2{n}_s-n_0{n}_H^2)(n_H^2-n_0{n}_s)}}\right)---\left(1\right)$

$\mathrm{\β}=\frac{2}{\mathrm{\π}}atan\left(\sqrt{\frac{(n_s-n_0)(n_H^2-n_0{n}_s)n_L^2}{(n_L^2{n}_s-n_0{n}_H^2)(n_0{n}_s-n_L^2)}}\right)---\left(2\right)$

其中，减反射薄膜的薄膜结构采用两种薄膜材料，折射率分别为n_H和n_L，其中n_H>n_L，棱镜的折射率为ns，空气折射率为n₀，激光工作波长为λ₀，用H和L分别代表为高、低折射率材料的λ₀/4光学厚度。

5.如权利要求4所述的偏振可控的激光谐振腔镜，其特征在于，所述第二直角表面(b)的高反射薄膜结构为Sub/1H(1L 1H)^m 2L/Air，其中，Sub为基底，Air为空气，H和L分别代表为高、低折射率材料的λ₀/4光学厚度。

6.如权利要求5所述的偏振可控的激光谐振腔镜，其特征在于，所述第二斜面(c’)的偏振分光薄膜结构为Sub/(1.1637H 1.6351L)^n1.1637H/Sub，Sub为基底，H和L分别代表为高、低折射率材料的λ₀/4光学厚度。

7.如权利要求6所述的偏振可控的激光谐振腔镜，其特征在于，所述第一直角棱镜(A)和第二直角棱镜(B)选用熔融石英作为棱镜材料，两个棱镜表面的膜层材料中，高折射率膜层材料为五氧化二钽，低折射率膜层材料为二氧化硅。

8.如权利要求7所述的偏振可控的激光谐振腔镜，其特征在于，所述第一直角棱镜(A)的第一直角表面(a)上减反射薄膜结构为：

Sub/0.3608H 1.3181L/Air。

9.如权利要求8所述的偏振可控的激光谐振腔镜，其特征在于，所述第一直角棱镜(A)的第一直角表面(b)上高反射薄膜结构为：

Sub/1H(1L 1H)^15 2L/Air。

10.如权利要求9所述的偏振可控的激光谐振腔镜，其特征在于，所述第二直角棱镜(B)的第二斜面(c’)上分光薄膜结构为：

Sub/(1.1637H 1.6351L)^12 1.1637H/Sub。