CN109167240A - 一种抗激光损伤的固体激光器谐振腔 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种抗激光损伤的固体激光器谐振腔，包括第一全反射棱镜(1)、激光增益介质(2)、耦合输出棱镜(3)、第二全反射棱镜(4)；为了解决激光器由于光学元件膜层损伤导致的可靠性不高问题，本发明采用全部为非镀膜的光学元件作为谐振腔元件，通过特殊设计材料、入射角度等特性参数实现激光的高透、高反及特定比例透射，从而实现激光的振荡输出，因此可使激光器激光损伤阈值大幅提升，进而提高激光器可靠性。

Description

一种抗激光损伤的固体激光器谐振腔

技术领域

本发明涉及一种抗激光损伤的固体激光器谐振腔，属于激光技术领域。

背景技术

在一般固体激光器谐振腔中，为保证谐振腔尽量高效率输出激光，需要腔内损耗尽量小，即需要谐振腔内采用的元器件在光路上的传输损耗尽量小。一般的方法就是在几乎全部的光学表面镀制光学膜层，对于透射光学元件表面镀制减反膜(Anti-Reflectioncoating),在反射光学元件表面镀制高反膜(High-Reflection coating)。例如：激光晶体通光面需要镀制增透膜(镀膜后通常反射率R≤0.2％)，全反射腔镜需要镀制高反膜(镀膜后通常反射率R≥99.8％)。

然而由于这些光学元件在镀膜后，通常都会由于膜层的杂质以及缺陷，使得光学元件激光损伤阈值大幅降低。以石英为例，石英本体的损伤阈值约为50～100J/cm²(1.064um，10ns)，镀制完反射膜后，光学表面的损伤阈值就降到10～20J/cm(1.064um，10ns)。损伤阈值的降低也直接影响了激光器的可靠性，在工程实践中，光学元件膜层损伤也是激光器故障的主要原因之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有固体激光器中存在的光学膜层易导致元件损伤的问题，本发明提出一种抗激光损伤的固体激光器谐振腔，利用布儒斯特角实现对线偏振光高透，利用全反射棱镜实现高反，以及利用不同角度入射实现不同透过率激光输出的原理，形成谐振腔。

本发明所采用的技术方案是：一种抗激光损伤的固体激光器谐振腔，包括第一全反射棱镜、激光增益介质、耦合输出棱镜、第二全反射棱镜；激光入射到第一全反射棱镜内部后，其折射光线与第一全反射棱镜棱线垂直，折射光线在第一全反射棱镜内部发生两次全反射后，沿原光路方向射出至激光增益介质；激光从激光增益介质一端的通光面入射，在内部沿直线传播或经多次全反射后从另外一通光面出射至耦合输出棱镜；激光入射至耦合输出棱镜，激光在耦合输出棱镜面向腔内的表面发生反射及折射，反射光入射到第二全反射棱镜，与第一全反射棱镜形成激光振荡，折射光入射到耦合输出棱镜内部，并传输到耦合输出棱镜面向腔外的表面输出，输出光线与耦合输出棱镜面向腔外的表面的法线方向呈布儒斯特角。

所述第一全反射棱镜、第二全反射棱镜为布儒斯特角切割的直角棱镜，入射光线在棱镜通光面上的入射角度为布儒斯特角；

第一全反射棱镜、第二全反射棱镜的棱镜入射面角度θ满足如下关系：

其中，θ_B为棱镜材料o光折射率对应的布儒斯特角。

第一全反射棱镜、第二全反射棱镜的棱镜棱线到入射面距离L、晶体内部由o光与e光折射率不同引起的相位差由两次全反射引起的相位差满足如下关系：

其中，n_o为o光折射率，n_e为e光折射率，λ为激光波长，n₁为外部介质折射率。

所述激光增益介质的端面法线与谐振腔光轴呈布儒斯特角，当激光在激光增益介质多次折返时，激光的入射角α、全反射次数k满足如下关系：

其中，n₂为增益介质折射率。

所述耦合输出棱镜面向腔内的表面法线方向与谐振腔光轴角度β₁，角度β₁与在耦合输出棱镜面向腔内的表面的折射光透过率T的关系为：

其中，β₂为折射角，β₂＝arcsin(sin(β₁)·n₁/n₃)，n₃为棱镜材料折射率；

耦合输出棱镜的顶角β₃＝β₂-β_B；

其中，β_B为光密介质到光疏介质的布儒斯特角，β_B＝arctg(n₁/n₃)。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用布儒斯特角入射的直角棱镜作为谐振腔全反射腔镜，避免了在光学元件上镀制全反射膜层，使腔镜抗损伤阈值大幅提高；

(2)本发明采用耦合输出棱镜作为谐振腔的输出腔镜，避免了在光学元件上镀制部分反射膜层，使腔镜抗损伤阈值大幅提高；

(3)本发明谐振腔内部的其余元件(包括激光增益介质)，其通光面法线均与腔内光轴呈布儒斯特角，可使光学元件在无需镀膜的情况下，保持对某方向的线偏振光高透，从而使腔内各元件的抗损伤阈值大幅提高。

附图说明

图1为本发明的谐振腔光路结构示意图；

图2为本发明的全反射棱镜结构示意图；

图3为本发明的耦合输出棱镜结构示意图；

图4为本发明的耦合输出棱镜入射角度与透过率曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种抗激光损伤的固体激光器谐振腔，包括第一全反射棱镜1、激光增益介质2、耦合输出棱镜3、第二全反射棱镜4；激光入射到第一全反射棱镜1内部后，其折射光线与第一全反射棱镜1棱线垂直，折射光线在第一全反射棱镜1内部发生两次全反射后，沿原光路方向射出至激光增益介质2；激光从激光增益介质2一端的通光面入射，在内部沿直线传播或经多次全反射后从另外一通光面出射至耦合输出棱镜3；激光入射至耦合输出棱镜3，激光在耦合输出棱镜3面向腔内的表面发生反射及折射，反射光入射到第二全反射棱镜4，与第一全反射棱镜1形成激光振荡，折射光入射到耦合输出棱镜3内部，并传输到耦合输出棱镜3面向腔外的表面输出，输出光线与耦合输出棱镜3面向腔外的表面的法线方向呈布儒斯特角。

如图2所示，第一全反射棱镜1、第二全反射棱镜4为布儒斯特角切割的直角棱镜，入射光线在棱镜通光面上的入射角度为布儒斯特角；

棱镜入射面角度θ满足如下关系：

其中，θ_B为棱镜材料o光折射率对应的布儒斯特角(弧度)。

棱镜棱线到入射面距离L、晶体内部由o光与e光折射率不同引起的相位差由两次全反射引起的相位差满足如下关系：

其中，n_o为o光折射率，n_e为e光折射率，λ为激光波长，n₁为外部介质折射率。

所述激光增益介质2的端面法线与谐振腔光轴呈布儒斯特角，当激光在激光增益介质2多次折返时，激光的入射角α、全反射次数k满足如下关系：

其中，n₂为增益介质折射率。

图3为本发明的耦合输出棱镜3结构示意图；图4为本发明的耦合输出棱镜3入射角度与透过率曲线。所述耦合输出棱镜3面向腔内的表面法线方向与谐振腔光轴角度β₁，角度β₁与在耦合输出棱镜3面向腔内的表面的折射光透过率T的关系为：

其中，β₂为折射角，β₂＝arcsin(sin(β₁)·n₁/n₃)，n₃为棱镜材料折射率；

耦合输出棱镜的顶角β₃＝β₂-β_B；

其中，β_B为光密介质到光疏介质的布儒斯特角，β_B＝arctg(n₁/n₃)。

实施例：

第一全反射棱镜1、第二全反射棱镜4为布儒斯特角切割的直角棱镜，棱镜材料选择石英晶体，晶体光轴方向选择为y方向，入射光线沿x方向，在棱镜通光面上的入射角度为布儒斯特角；

棱镜入射面角度θ为：

θ＝90-θ_B＝33.2°

根据石英晶体折射率，可计算得由两次全反射引起的相位差为：

由晶体内部由o光与e光折射率不同引起的相位差为：

根据如下关系：

可得：

L＝(0.942+n·π),(n＝0,±1,±2...)

取n＝3000，则L＝10028.966um。

激光增益介质2采用Nd:YAG材料，折射率为1.82，选择入射角度为61.26°，选择全反射次数为3，产生的相位差为：

9.4424≈3π，满足要求。

耦合输出棱镜3采用熔融石英材料，折射率为1.449，光密到光疏的布儒斯特角β_B为34.6°，设计输出透过率为50％，则根据：

可得β₁为85°，β₂为43.4°，耦合输出棱镜的顶角β₃＝β₂-β_B＝8.82°。

采用上述元件，配合泵浦及冷却条件，即可实现激光振荡。由实施例可见，通过设计各元件的材料、入射角度、折返次数等参数，即可采用非镀膜元件实现激光振荡，从而使激光器的谐振腔损伤阈值大幅提升，进而提高激光器可靠性。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (4)

1.一种抗激光损伤的固体激光器谐振腔，其特征在于，包括第一全反射棱镜(1)、激光增益介质(2)、耦合输出棱镜(3)、第二全反射棱镜(4)；激光入射到第一全反射棱镜(1)内部后，其折射光线与第一全反射棱镜(1)棱线垂直，折射光线在第一全反射棱镜(1)内部发生两次全反射后，沿原光路方向射出至激光增益介质(2)；激光从激光增益介质(2)一端的通光面入射，在内部沿直线传播或经多次全反射后从另外一通光面出射至耦合输出棱镜(3)；激光入射至耦合输出棱镜(3)，激光在耦合输出棱镜(3)面向腔内的表面发生反射及折射，反射光入射到第二全反射棱镜(4)，与第一全反射棱镜(1)形成激光振荡，折射光入射到耦合输出棱镜(3)内部，并传输到耦合输出棱镜(3)面向腔外的表面输出，输出光线与耦合输出棱镜(3)面向腔外的表面的法线方向呈布儒斯特角。

2.根据权利要求1所述的一种抗激光损伤的固体激光器谐振腔，其特征在于，所述第一全反射棱镜(1)、第二全反射棱镜(4)为布儒斯特角切割的直角棱镜，入射光线在棱镜通光面上的入射角度为布儒斯特角；

第一全反射棱镜(1)、第二全反射棱镜(4)的棱镜入射面角度θ满足如下关系：

其中，θ_B为棱镜材料o光折射率对应的布儒斯特角；

第一全反射棱镜(1)、第二全反射棱镜(4)的棱镜棱线到入射面距离L、晶体内部由o光与e光折射率不同引起的相位差由两次全反射引起的相位差满足如下关系：

其中，n＝0,±1,±2...，n_o为o光折射率，n_e为e光折射率，λ为激光波长，n₁为外部介质折射率。

3.根据权利要求1或2所述的一种抗激光损伤的固体激光器谐振腔，其特征在于，所述激光增益介质(2)的端面法线与谐振腔光轴呈布儒斯特角，当激光在激光增益介质(2)多次折返时，激光的入射角α、全反射次数k满足如下关系：

其中，n＝0,±1,±2...，n₂为增益介质折射率。

4.根据权利要求1或2所述的一种抗激光损伤的固体激光器谐振腔，其特征在于，所述耦合输出棱镜(3)面向腔内的表面法线方向与谐振腔光轴角度β₁，角度β₁与在耦合输出棱镜(3)面向腔内的表面的折射光透过率T的关系为：

其中，β₂为折射角，β₂＝arcsin(sin(β₁)·n₁/n₃)，n₃为棱镜材料折射率；

耦合输出棱镜的顶角β₃＝β₂-β_B；

其中，β_B为光密介质到光疏介质的布儒斯特角，β_B＝arctg(n₁/n₃)。