CN112134130B - 一种基于双折射光学膜层抑制板条激光器中自发辐射放大的结构及方法 - Google Patents

一种基于双折射光学膜层抑制板条激光器中自发辐射放大的结构及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双折射光学膜层抑制板条激光器中自发辐射放大的结构及方法，属于激光技术领域，包括依次排列的激光增益介质、双折射光学膜层和折射率匹配液构成，其中，所述双折射光学膜层为对S光和P光的折射率不同，且至少对S光和P光之一的折射率低于所述激光增益介质的折射率，所述折射率匹配液的折射率高于所述激光增益介质的折射率，根据需要还可设置吸收玻璃；本发明有效的解决了板条激光器中自发辐射放大的抑制难题，低于临界角的自发辐射放大光基本消除，对于超过临界角的P偏振态自发辐射放大光显著抑制，提高了激光输出的偏振纯度，具有原理简单，操作简便等优点。

Description

一种基于双折射光学膜层抑制板条激光器中自发辐射放大的 结构及方法
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种基于双折射光学膜层抑制板条激光器中自发辐射放大的结构及方法。
背景技术
在激光放大过程中，光的受激辐射放大和自发辐射放大同时存在，两种过程都会消耗激光增益介质的反转粒子数（即增益介质内存储的能量），因此自发辐射放大的存在会导致激光输出能量的降低。为了提高激光对增益介质储能的提取效率，需要抑制自发辐射放大过程。
对于透射应用的激光增益介质，通常采用“包边玻璃＋折射率匹配胶”的方法，抑制与激光传输方向垂直的横向自发辐射放大。
然而，对于板条激光器，其激光增益介质利用全内反射对激光进行传输和放大，在激光传输平面内，激光和自发辐射放大光都会经过增益介质与其外部介质的光学界面，“包边玻璃＋折射率匹配胶”的方法无法对激光和自发辐射放大光进行区分，该方法难以实现在激光传输平面内的自发辐射放大过程的抑制。同时板条激光放大器中，激光传输角度是确定的，其他小于激光传输角度的自发辐射放大光虽然界面反射率降低，但在角度较小时，其增益长度远超过主激光的增益长度。
此外，由于全内反射的临界角不具有偏振选择特性，而自发辐射放大光偏振态随机分布，这就导致超过全反射临界角的自发辐射放大光能量较高时与主激光同时输出，会导致激光输出的线偏振纯度下降。
因此，板条激光器中自发辐射放大的抑制难题亟待解决。
发明内容
本发明的目的之一，就在于提供一种基于双折射光学膜层抑制板条激光器中自发辐射放大的结构，以解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：
一种基于双折射光学膜层抑制板条激光器中自发辐射放大的结构，包括依次排列的激光增益介质、双折射光学膜层和折射率匹配液构成，其中，所述双折射光学膜层为对S光和P光的折射率不同，且至少对S光和P光之一的折射率低于所述激光增益介质的折射率，所述折射率匹配液的折射率高于所述激光增益介质的折射率。
作为优选的技术方案：在所述折射率匹配液的另一侧还设置有吸收玻璃，所述吸收玻璃作为增益介质，一般为钕玻璃，都是现有技术，其型号可以采用CDG01、 ZWB2、ZAB50等等。
作为进一步优选的技术方案：所述吸收玻璃的折射率不低于折射率匹配液的折射率。
本发明的目的之二，在于提供一种基于双折射光学膜层抑制板条激光器中自发辐射放大的方法，采用的技术方案为：根据激光增益介质的折射率，设计和制备具有合适折射率的双折射膜层及折射率匹配液，其中，所述双折射光学膜层为对S光和P光的折射率不同，且至少对S光和P光之一的折射率低于所述激光增益介质的折射率，所述折射率匹配液的折射率高于所述激光增益介质的折射率，通过减少自发辐射放大光在增益介质中的传输长度对其进行抑制。
作为优选的技术方案：选取折射率不低于折射率匹配液的折射率的吸收玻璃，通过对自发辐射放大光的吸收对其进一步抑制。
上述的激光增益介质，也称为放大介质；
上述的双折射光学膜层，可采用倾斜沉积镀膜或其他现有的方法制备（比如可以参考文献报道：J. B. Oliver 等人的“Electron-beam–deposited distributedpolarization rotator for high-power laser applications”，OPTICS EXPRESS；Q. Wu等人的“Materials for Birefringent Coatings”，Supplement to Applied Optics；Tomoyoshi Motohiro等人的“Thin film retardation plate by oblique deposition”APPLIED OPTICS，等等），使其满足对S光和P光的折射率不同，且至少对两种光之一的折射率低于增益介质的折射率即可。
所述的双折射光学膜层也可以利用现有的光学薄膜设计方法使用多层膜进行替代，仍属于本专利范围；具体而言，利用现有的光学薄膜设计方法使用多层膜，提高双折射光学膜层与折射率匹配液界面的透过率，进而减少从膜层返回到增益介质的光能量。
所述的折射率匹配液的折射率高于增益介质的折射率，折射率匹配液可同时作为冷却液使用。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本方法有效的解决了板条激光器的一个设计难题：既能满足主激光的正常传输和放大，又能够显著抑制自发辐射放大过程，并且进一步提高了输出激光的线偏振纯度；
其原理为：利用膜层的双折射特性，使得增益介质与双折射膜层界面对两种偏振态的光（即P光和S光）反射率不同，在特定角度下，一种偏振态的光在增益介质内部全内反射，另一种偏振态的光会全部或部分透射到膜层内；
2、本发明可用于任何基于全内反射激光放大过程的激光器、激光放大器等的自发辐射放大过程的抑制；
3、本发明结构简单，对任何基于全内反射激光放大过程的激光器、激光放大器等均不会带来额外的设计和建造难度。
附图说明
图1为采用本发明的结构示意图；
图2为本发明实施例1的反射率曲线；
图3为本发明实施例2的反射率曲线；
图4为本发明实施例3中P光的折射率曲线；
图5为本发明实施例3的反射率曲线；
图中:1、激光增益介质；2、双折射光学膜层；3、折射率匹配液；4、吸收玻璃；n in—增益介质的折射率；n x ，n y ，n z —双折射光学膜层的三个主折射率；n tr—折射率匹配液的折射率；n ab—吸收玻璃的折射率。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
本发明根据增益介质的折射率，设计和制备具有合适折射率的双折射膜层及折射率匹配液，通过减少自发辐射放大光在增益介质中的传输长度对其进行抑制，根据实际需要，选取具有合适折射率的吸收玻璃，通过对自发辐射放大光的吸收对其进一步抑制。
实施例1：
一种基于双折射光学膜层抑制板条激光器中自发辐射放大的结构，如图1所示，包括依次排列的激光增益介质1、双折射光学膜层2、折射率匹配液3和吸收玻璃4构成，其中，本实施例中，
增益介质的折射率n in =1.54，外部介质为空气，折射率为1，其反射率曲线如图2所示，此时光束发生全反射的临界角为40.56°，角度超过临界角均会发生全内反射，在0°~40.56°范围内：自然光平均反射率为7.81%，S光平均反射率为11.83%，P光平均反射率为3.79%。
实施例2：
本实施例中，n in =1.54，n tr =1.5，n ab=1.5，其反射率曲线如图3所示，此时光束发生全反射的临界角为76.91°，角度超过临界角均会发生全内反射，自然光、S光、P光的反射率十分接近，曲线基本重合，在0~60°范围内反射率极低趋近于0。
实施例3：
本实施例中，n in =1.54，n tr =1.54，n ab=1.54，n x =1.619，n y =1.432，n z =1.541， S光在双折射膜层中的折射率为1.541，P光在双折射膜层中的折射率曲线如图4所示，本实施例的反射率曲线如图5所示，在0~60°范围内P光和S光反射率极低趋近于0，S光发生全反射时的临界角仍为76.98°，但P光不会发生全反射，P光在入射角76.98°~90°范围内平均反射率小于5%，相比于实施例2，S光反射率基本不变，而P光在入射角76.98°~90°范围内平均反射率降低超过95%。
可以看出，本方法有效的解决了板条激光器中自发辐射放大的抑制难题，低于临界角的自发辐射放大光基本消除，对于超过临界角的P偏振态自发辐射放大光显著抑制，提高了激光输出的偏振纯度，具有原理简单，操作简便等优点。本发明可用于板条激光器等任何一种采用全内放射激光放大过程的激光增益元件和激光器。
另外，当不设置吸收玻璃时，对自发辐射放大光的抑制主要受下述几个因素影响：1.膜层本身的吸收或损耗；2.折射率匹配液的吸收或损耗；3.从膜层和折射率匹配液透射出的光总会到达某个材料的表面，其本质上也会对光吸收或损耗；4.不同角度的出射光经过损耗后再次进入增益介质，在增益介质内部总的光程会减少；这些因素每一个带来的效果都不十分明显，叠加起来可能有一定的作用，但具体效果难以评估，因此没有给出不设置吸收玻璃的实施例。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于双折射光学膜层抑制板条激光器中自发辐射放大的结构，其特征在于：包括依次排列的激光增益介质、双折射光学膜层和折射率匹配液构成，其中，所述双折射光学膜层为对S光和P光的折射率不同，且至少对S光和P光之一的折射率低于所述激光增益介质的折射率，所述折射率匹配液的折射率高于所述激光增益介质的折射率。
2.根据权利要求1所述的一种基于双折射光学膜层抑制板条激光器中自发辐射放大的结构，其特征在于：在所述折射率匹配液的另一侧还设置有吸收玻璃。
3.根据权利要求2所述的一种基于双折射光学膜层抑制板条激光器中自发辐射放大的结构，其特征在于：所述吸收玻璃的折射率不低于折射率匹配液的折射率。
4.一种基于双折射光学膜层抑制板条激光器中自发辐射放大的方法，其特征在于：根据激光增益介质的折射率，设计和制备具有合适折射率的双折射膜层及折射率匹配液，其中，所述双折射光学膜层为对S光和P光的折射率不同，且至少对S光和P光之一的折射率低于所述激光增益介质的折射率，所述折射率匹配液的折射率高于所述激光增益介质的折射率，通过减少自发辐射放大光在增益介质中的传输长度对其进行抑制。
5.根据权利要求4所述的一种基于双折射光学膜层抑制板条激光器中自发辐射放大的方法，其特征在于：选取折射率不低于折射率匹配液的折射率的吸收玻璃，通过对自发辐射放大光的吸收对其进一步抑制。
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