CN107221831A - 一种全反射棱镜式环形激光器 - Google Patents

一种全反射棱镜式环形激光器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种全反射棱镜式环形激光器，其中采用了球隙棱镜输出耦合器，且球隙棱镜输出耦合器与输出界面的耦合为球面与平面的耦合，将现有技术中两个平面之间的距离由面上随机出现的多点决定，变成一个平面与球面之间的一个点的接触，增大了可调节的距离，球隙棱镜输出耦合器通过改变底部的球面的顶点与环形激光器谐振腔输出平面之间的距离，可调谐激光耦合输出比例或透过率，有利于提高激光耦合透过率，可获得全反射棱镜式环形激光器谐振腔的激光输出，解决全反射棱镜式环形激光器的激光输出问题。

Description

一种全反射棱镜式环形激光器
技术领域
本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种全反射棱镜式环形激光器。
背景技术
目前，对于常用的反射镜式环形激光器通常采用有一定透过率的反射镜作为环形腔激光器的输出腔镜，以获得激光输出。但对于全反射棱镜式环形激光器中的激光输出却遇到了问题。
通常，反射镜式环形激光器采用具有一定透过率的反射镜作为激光器的输出腔镜时，要想得到最佳的输出功率和最佳的激光转换效率，对输出耦合镜有不同的要求。为了得到最佳的激光输出，须要对输出耦合镜的透过率进行优化。输出耦合镜的输出比例是通过多层介质反射膜来实现的，不论是输出波长还是透过率，都是不能调节的，一旦选用则激光器透射波长和透过率就是固定的，并且这种耦合输出镜通常是垂直于输出光轴。在强激光中，腔镜介质膜的耐激光损伤能力也比较差，也就是损伤阈值比较低。而且多层介质膜每层的光学厚度须为波长的四分之一，并且为了避免杂质的吸收和散射损耗，镀膜材料的纯度要求也很高，这使得优质镀膜的成本很高。
对于全反射棱镜式环形激光器可以利用棱镜构成具有一定“楔形”间隙的棱镜耦合输出器，以获得激光输出。“楔形”间隙棱镜输出耦合器，就是将一块耦合棱镜靠近输出全反射棱镜放置，使两块棱镜的工作面间具有波长量级的“楔形”间隙，利用两块棱镜的工作面间形成的“楔形”间隙角度来控制耦合器的输出比例，这种耦合方法类似于平板波导中的棱镜耦合。缺点是：由于两棱镜面之间接触面为一线面属于多点接触，由于加工精度原因，不可能做到完全接触，在实际应用操作过程中难以实现和控制“楔形”间隙角度且耦合输出效率低。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种全反射棱镜式环形激光器，其中采用了球隙棱镜输出耦合器，球隙棱镜耦合器利用球底棱镜与输出全反射棱镜工作面间波长量级的球底间隙，可获得全反射棱镜式环形激光器谐振腔的激光输出，解决全反射棱镜式环形激光器的激光输出问题。
一种全反射棱镜式环形激光器，包括球隙棱镜输出耦合器3以及四个反射面；
所述球隙棱镜输出耦合器3为扇形结构，底部为球面，且与球面相接的两个斜侧面相互垂直，与球面相接的两个扇形面相互平行；
所述四个反射面形成一个激光振荡的全反射环形腔结构，同时球隙棱镜输出耦合器3以底部的球面固定在任意一个反射面的外侧上，且底部的球面与该反射面之间的间隙为波长量级，同时球隙棱镜输出耦合器3底部的球面为激光耦合输出面。
进一步地，一种全反射棱镜式环形激光器，还包括板条激光介质1，所述四个反射面由2个直角棱镜2的四个侧面构成；
所述直角棱镜2以斜面分别固定于板条激光介质1的两端；
所述球隙棱镜输出耦合器3以底部的球面固定于任一直角棱镜2的任一侧面上；
所述板条激光介质1、球隙棱镜输出耦合器3以及2个直角棱镜2的材料相同。
进一步地，一种全反射棱镜式环形激光器，还包括板条激光介质1和反射镜4，所述四个反射面由2个直角棱镜2的四个侧面构成；
所述直角棱镜2以斜面分别固定于板条激光介质1的两端；
所述球隙棱镜输出耦合器3以底部的球面固定于任一直角棱镜2的任一侧面上；
所述反射镜4放在球隙棱镜输出耦合器3的耦合出口处，将球隙棱镜输出耦合器3水平输出的激光原路反射回全反射棱镜式环形激光器；
所述板条激光介质1、球隙棱镜输出耦合器3以及2个直角棱镜2的材料相同。
进一步地，一种全反射棱镜式环形激光器，所述四个反射面由4个直角棱镜2的四个斜面构成；
其中直角棱镜2的摆放位置满足：对于每个直角棱镜2，其斜面法线方向的位置都放置有另一个直角棱镜2，且相邻的两个直角棱镜2的相邻侧面相互平行，最终形成一个全反射棱镜式环形腔结构；
所述球隙棱镜输出耦合器3以底部的球面固定于任一直角棱镜2的斜面上；
所述球隙棱镜输出耦合器3以及4个直角棱镜2的材料相同。
进一步地，所述球隙棱镜输出耦合器3的两个斜侧面和底部的球面经过抛光处理。
进一步地，所述板条激光介质1的材料为Nd:YAG，折射率为1.823。
进一步地，所述板条激光介质1的材料为Yb:YAG，折射率为1.823。
进一步地，所述板条激光介质1的材料为Nd:LuAG。
有益效果：
1)本发明球隙棱镜输出耦合器与输出界面的耦合为球面与平面的耦合，将现有技术中两个平面之间的距离由面上随机出现的多点决定，变成一个平面与球面之间的一个点的接触，增大了可调节的距离，球隙棱镜输出耦合器通过改变底部的球面的顶点与环形激光器谐振腔输出平面之间的距离，可调谐激光耦合输出比例或透过率，有利于提高激光耦合透过率；
2)本发明的球隙棱镜输出耦合器利用底部的球面与输出全反射棱镜工作面间波长量级的球底间隙，可获得全反射棱镜式环形激光器谐振腔的激光输出，解决全反射棱镜式环形激光器的激光输出问题；
3)本发明的球隙棱镜输出耦合器无需镀膜，不存在腔镜介质膜耐激光损伤能力比较差的问题，同时有利于降低成本，适应激光输出波段宽。
附图说明
图1(a)为本发明顶角为直角的球隙棱镜输出耦合器结构示意图；
图1(b)为本发明顶角为平角的球隙棱镜输出耦合器结构示意图；
图1(c)为本发明顶角为平角的球隙棱镜输出耦合器三维结构示意图；
图2为本发明的基于球隙棱镜输出耦合器的直腔结构环形激光器示意图；
图3为本发明的基于球隙棱镜输出耦合器的单模环形振荡集成激光器示意图；
图4为本发明的基于球隙棱镜输出耦合器的棱镜组合环形腔示意图；
图5为本发明入射光线与折射光线示意图；
图6为本发明球隙棱镜输出耦合器的耦合示意图；
1-板条激光介质，2-直角棱镜，3-球隙棱镜输出耦合器，4-反射镜。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细叙述。
图1(a)、图1(b)以及图1(c)分别为本发明的球隙棱镜输出耦合器结构示意图。球隙棱镜选材，最好选用高折射率光学材料，曲率半径不做严格要求。其中球隙棱镜的斜侧面是直角(或其它角度)，底部的的球面为一定曲率半径的球面，两个扇形棱锥面相互平行，形成平行平面，这对平行平面不用于通光，用于方便操作，并且可以不抛光。
实施例一：
如图2所示，为本发明的基于球隙棱镜输出耦合器的直腔结构环形激光器示意图，包括板条激光介质1、球隙棱镜输出耦合器3以及2个直角棱镜2；
所述直角棱镜2以斜面分别固定于板条激光介质1的两端，且四个反射面由2个直角棱镜2的四个侧面构成；
所述球隙棱镜输出耦合器3为扇形，其中两个扇形棱锥面相互平行，且两个侧面和底部的的球面经过抛光处理；
所述球隙棱镜输出耦合器3以底部的的球面固定于任一直角棱镜2的任一侧面上，其中球隙棱镜输出耦合器3与该侧面之间的间隙可调；其中泵浦光从板条激光介质1的侧面入射，或者从球隙棱镜输出耦合器3与直角棱镜2侧面的耦合接触点入射；
所述板条激光介质1、球隙棱镜输出耦合器3以及2个直角棱镜2的材料相同。
所述板条激光介质1的材料为Nd:YAG，Yb:YAG，Nd:LuAG等，对于YAG材料，折射率分别为1.823，与空气界面上的临界角是33.2673度。图2中平行于光轴的光线在端面棱镜的入射角45度，大于临界角，所以是全反射。3是球隙棱镜输出耦合器，用相同的YAG材料制成，但是没有掺杂激光离子。由于折射率相同，光通过耦合隙之后保持方向不变。
棱镜与板条之间的微小间隙用于激光调谐。对于1064纳米波长，需要的调谐范围是532纳米。依靠现代的工艺技术，可以满足这样调谐的需求。调谐好以后，进行固定，这样就形成一个整体的集成固体激光器。通过球隙棱镜3与直角棱镜2之间的间隙可调，用于控制输出耦合效率。
这样形成的集成激光器，往返振荡放大的激光形成一对共轭的环式振荡。同时，有两个输出口，可以满足双光束激光输出的应用需求。
实施例二：
如图3所示，为本发明的基于球隙棱镜输出耦合器的单模环形振荡集成激光器示意图，包括板条激光介质1、球隙棱镜输出耦合器3、反射镜4以及2个直角棱镜2；
所述直角棱镜2以斜面分别固定于板条激光介质1的两端，且四个反射面由2个直角棱镜2的四个侧面构成；
所述球隙棱镜输出耦合器3为扇形，其中两个扇形棱锥面相互平行，且两个侧面和底部的的球面经过抛光处理；
所述球隙棱镜输出耦合器3以底部的的球面固定于任一直角棱镜2的任一侧面上，其中球隙棱镜输出耦合器3与该侧面之间的间隙可调；其中泵浦光从板条激光介质1的侧面入射，或者从球隙棱镜输出耦合器3与直角棱镜2侧面的耦合接触点入射；
所述反射镜4放在球隙棱镜输出耦合器3的耦合出口处，将球隙棱镜输出耦合器3水平输出的激光直接反射回全反射棱镜式环形激光器；
所述板条激光介质1、球隙棱镜输出耦合器3以及2个直角棱镜2的材料相同。
所述板条激光介质1的材料为Nd:YAG，Yb:YAG，Nd:LuAG等，对于YAG材料，折射率分别为1.823，与空气界面上的临界角是33.2673度。图3中平行于光轴的光线在端面棱镜的入射角45度，大于临界角，所以是全反射。3是球隙棱镜输出耦合器，用相同的YAG材料制成，但是没有掺杂激光离子。由于折射率相同，光通过耦合隙之后保持方向不变。
反射镜4将水平输出的激光直接反射回集成激光腔，导致右边出射的激光无法输出，则右旋环形振荡的模式受到抑制，最终实现了激光器的单模单光束输出。
实施例三：
如图4所示，为本发明的基于球隙棱镜输出耦合器的棱镜组合环形腔示意图，包括球隙棱镜输出耦合器3和4个直角棱镜2，且四个反射面由4个直角棱镜2的四个斜面构成；
其中直角棱镜2的摆放位置满足：对于每个直角棱镜2，其斜面法线方向的位置都放置有另一个直角棱镜2，且相邻的两个直角棱镜2的相邻侧面相互平行，最终形成一个全反射棱镜式环形腔结构；
所述球隙棱镜输出耦合器3以底部的的球面固定于任一直角棱镜2的斜面上，其中球隙棱镜输出耦合器3与该斜面之间的间隙可调；其中泵浦光从球隙棱镜输出耦合器3与直角棱镜2斜面的耦合接触点入射；
所述球隙棱镜输出耦合器3为扇形，其中两个扇形棱锥面相互平行，且两个侧面和底部的的球面经过抛光处理；
所述球隙棱镜输出耦合器3以及4个直角棱镜2的材料相同，为Nd:YAG，Yb:YAG，Nd:LuAG等，对于YAG材料，折射率分别为1.823，与空气界面上的临界角是33.2673度。由于折射率相同，光通过耦合隙之后保持方向不变。
下面对实施例一、实施例二以及实施例三进行效果的模拟。
光从高折射率材料入射进入低折射率材料，满足Snell定律
n1sinθ1＝n2sinθ2,n1＞n2
在临界角，折射角等于90度。临界角是
对于折射率为1.5的玻璃与空气的界面，临界角是41.8103。对于这个界面，入射角40度，折射角已经74.5度，如图5所示。等于临界角，折射角已经90度。大于临界角折射的光不存在，光全反射。在全反射界面的外侧，光场不是突然消失，而是以指数形式减弱的倏逝场。倏逝场减弱的速度由垂直于界面的波矢量分量k1决定。这时，波矢量的法向分量κ在介质n1中是：
式中k1sinθ1＝β称为传播常数，跨过界面时满足连续性的条件。在间隙中的法向分量kz是
其中k2为介质n2中波矢量分量，λ0入射光的波长，由于界面发生全反射k2<β所以间隙中的法向分量kz为一复数，可表示为复数iκ。
利用Snell定律n1sinθ1＝n2sinθ2在临界角时
n1sinθc＝n2sin90°＝n2
耦合隙中波矢量的法向分量是
由于入射角大于临界角，所以根号对负数开放方，得到的是纯虚数。法向光场的波函数是
这是一种倏逝场。由于倏逝场的存在，如果在临近全反射界面的附近，存在折射率大于或等于n1光学材料，在折射率为n1中大于临界角入射的光，就可以通过光学材料耦合透过去继续传输。透过率随耦合间隙的厚度而改变，即随沿光轴z的增加而减小。这就是设计内全反射激光腔输出耦合器的基本原理。这种原理在光纤和集成光波导技术中已经得到了广泛使用。
由于改变输出耦合的范围非常小。当间隙为零时，透过100％，在半波长的地方，3dB衰减的地方小于半波长。间隙允许的调节范围非常小。在工艺上得到纳米范围的调节空间是很困难的。对于固体激光器，通常的器件需要耦合的横向尺度大于毫米。因此本发明设计的棱镜与输出界面的耦合变成球面与平面的耦合。这样两个平面之间的距离由面上随机出现的多点决定，变成一个平面与球面之间的一个点的接触，增大了可调节的距离。
在用球面棱镜作为输出耦合器的时候，耦合间隙的宽度是由球面的顶点与谐振腔输出面地平面之间的距离d来决定耦合输出的比例，d越小耦合输出比例就越大，反之耦合输出比例就越小。球隙棱镜的耦合原理图，如图6所示。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种全反射棱镜式环形激光器，其特征在于，包括球隙棱镜输出耦合器(3)以及四个反射面；
所述球隙棱镜输出耦合器(3)为扇形结构，底部为球面，且与球面相接的两个斜侧面相互垂直，与球面相接的两个扇形面相互平行；
所述四个反射面形成一个激光振荡的全反射环形腔结构，同时球隙棱镜输出耦合器(3)以底部的球面固定在任意一个反射面的外侧上，且底部的球面与该反射面之间的间隙为波长量级，同时球隙棱镜输出耦合器(3)底部的球面为激光耦合输出面。
2.如权利要求1所述的一种全反射棱镜式环形激光器，其特征在于，还包括板条激光介质(1)，所述四个反射面由2个直角棱镜(2)的四个侧面构成；
所述直角棱镜(2)以斜面分别固定于板条激光介质(1)的两端；
所述球隙棱镜输出耦合器(3)以底部的球面固定于任一直角棱镜(2)的任一侧面上；
所述板条激光介质(1)、球隙棱镜输出耦合器(3)以及2个直角棱镜(2)的材料相同。
3.如权利要求1所述的一种全反射棱镜式环形激光器，其特征在于，还包括板条激光介质(1)和反射镜(4)，所述四个反射面由2个直角棱镜(2)的四个侧面构成；
所述直角棱镜(2)以斜面分别固定于板条激光介质(1)的两端；
所述球隙棱镜输出耦合器(3)以底部的球面固定于任一直角棱镜(2)的任一侧面上；
所述反射镜(4)放在球隙棱镜输出耦合器(3)的耦合出口处，将球隙棱镜输出耦合器(3)水平输出的激光原路反射回全反射棱镜式环形激光器；
所述板条激光介质(1)、球隙棱镜输出耦合器(3)以及2个直角棱镜(2)的材料相同。
4.如权利要求1所述的一种全反射棱镜式环形激光器，其特征在于，所述四个反射面由4个直角棱镜(2)的四个斜面构成；
其中直角棱镜(2)的摆放位置满足：对于每个直角棱镜(2)，其斜面法线方向的位置都放置有另一个直角棱镜(2)，且相邻的两个直角棱镜(2)的相邻侧面相互平行，最终形成一个全反射棱镜式环形腔结构；
所述球隙棱镜输出耦合器(3)以底部的球面固定于任一直角棱镜(2)的斜面上；
所述球隙棱镜输出耦合器(3)以及4个直角棱镜(2)的材料相同。
5.如权利要求1-4任一权利要求所述的一种全反射棱镜式环形激光器，其特征在于，所述球隙棱镜输出耦合器(3)的两个斜侧面和底部的球面经过抛光处理。
6.如权利要求2-3任一权利要求所述的一种全反射棱镜式环形激光器，其特征在于，所述板条激光介质(1)的材料为Nd:YAG，折射率为1.823。
7.如权利要求2-3任一权利要求所述的一种全反射棱镜式环形激光器，其特征在于，所述板条激光介质(1)的材料为Yb:YAG，折射率为1.823。
8.如权利要求2-3任一权利要求所述的一种全反射棱镜式环形激光器，其特征在于，所述板条激光介质(1)的材料为Nd:LuAG。
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