CN203521886U - 一种轴锥体、光学谐振腔及激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于光学技术领域，提供了一种轴锥体，为圆锥状的晶体轴锥体，包括锥面及底面，锥面与底面之间的夹角为布鲁斯特角，底面镀有可对以布鲁斯特角入射锥面而进入轴锥体的光进行反射的光学膜。当光以布鲁斯特角入射轴锥体的锥面时，其垂直分量通过反射损失掉一部分，而平行分量则全部透射，轴锥体底面的光学膜可防止平行分量损失，进而，光经过轴锥体后，垂直分量的损失远大于平行分量，光在谐振腔中来回振荡多次经过轴锥体，最终使垂直分量损失殆尽，平行分量得到增益放大，输出径向偏振激光。该轴锥体以简洁的结构实现了平行分量的选择以产生径向偏振光，可实施性更强，成本更低，适合广泛用于产生径向偏振光的设备中。

Description

一种轴锥体、光学谐振腔及激光器

技术领域

本实用新型属于光学技术领域，特别涉及一种轴锥体、光学谐振腔及激光器。

背景技术

偏振是光的基本特征之一，常见偏振光有线偏振光、椭圆偏振光、圆偏振光以及径向偏振光，由于径向偏振光具有完美的轴对称分布特性，使得它与线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光相比有着很多显著不同的特性。如径向偏振光具有沿光轴对称的电场分布以及中空的圆环形的光束结构；径向偏振光在高数值透镜聚焦时可以产生超越衍射极限的极小焦斑，比线偏振、圆偏振、椭圆偏振的聚焦光斑小的多，而且在焦点区域的纵向电场变的非常强；径向偏振光只有横向的磁场和沿轴纵向的电场；径向偏振光是偏振本征态，在C切向晶体中传播时，不会发生串扰。近年来，径向偏振光的这些特性得到了很多的应用。如在引导和捕捉粒子、粒子加速、提高显微镜的分辨率、金属切割以及提高存储密度等方面，随着人们对径向偏振光的不断深入的认识，它将在越来越多的领域得到应用。

世界上第一束径向偏振光是由日本的Y.Mushiake在1972年通过实验获取；国内第一束径向偏振光是由中国科学院高能物理研究所的庄杰佳利用四块扇形的半玻片胶合而成的光学元器件产生。近10年来，科研人员纷纷寻找各种有效的方法来产生径向偏振光。径向偏振光的产生方法分两类，即腔内法和腔外模式转化法。通过腔内方法产生径向偏振光的有：Jianlang Li等人在光纤激光器中用双重圆轴棱镜来产生径向偏振光；Inon Moshe等人采用在激光腔内热致双焦点的位置上放置小孔的方式来选择偏振的模式；Ram Oron等人在激光腔内用不连续的位相器件来产生径向偏振光；A.V.Nesterov等人在腔内放置具有轴向偏振选择性亚波长衍射来产生径向偏振光。

上述对现有的激光器进行腔内改造设计产生径向偏振光是一项复杂的技术工程，对于工程技术人员来说，比较可行的方法是在激光腔外使用某种光学器件进行外部转化。I.J.Cooper、S.Quabis等人利用4块扇形半波片组成一个圆形光器件来产生近似的径向偏振光；G.Machavariani等人则利用8快半波片进行改进，产生趋于完美的径向偏振光；C.Steve等人利用干涉仪相干叠加两束偏振方向相互垂直的线偏振光来产生径向偏振光；M.Stalder利用扭转向列液晶偏振转换器产生径向偏振光。上述产生径向偏振光的方法仍较复杂，成本也较高，本发明将提供另一种有效且易实施的产生径向偏振光的方案。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种结构简洁的轴锥体，用于激光谐振腔中产生径向偏振光。

本实用新型是这样实现的，一种轴锥体，为圆锥状的晶体轴锥体，包括锥面及底面，所述锥面与底面之间的夹角为布鲁斯特角，所述底面镀有可对以布鲁斯特角入射所述锥面而进入所述轴锥体内的光进行反射的光学膜。

作为本实用新型的优选技术方案：

所述晶体轴锥体为YAG轴锥体，所述光学膜为对波长为1064nm、入射角为32.4268°±2′的光进行反射的光学膜。

所述轴锥体为Nd：YAG轴锥体，所述光学膜为对波长为1064nm、入射角为32.4268°±2′的光进行反射，且对经所述底面入射的泵浦光进行透射的光学膜。

本实用新型的另一目的在于提供一种激光谐振腔，包括激光输出镜及所述的轴锥体，所述轴锥体的底面与所述激光输出镜平行，所述激光输出镜与所述轴锥体形成法布里-珀罗谐振腔。

进一步的，当所述轴锥体为非增益晶体轴锥体时，所述激光谐振腔还包括设于所述轴锥体与所述激光输出镜之间的增益介质。

本实用新型的又一目的在于提供一种激光器，包括所述的激光谐振腔。

进一步的，当所述激光谐振腔中的轴锥体为非增益晶体轴锥体时，于所述增益介质的侧面设有泵浦源。

当所述激光谐振腔中的轴锥体为增益晶体轴锥体时，于所述轴锥体的底面中心处设有泵浦源。

本实用新型提供了底角（锥面与底面之间的夹角）为布鲁斯特角的晶体轴锥体，当光以布鲁斯特角（即平行于中轴线）入射轴锥体的锥面时，其垂直分量通过反射损失掉一部分，而平行分量则全部透射，同时，轴锥体的底面镀有对折射光进行反射的光学膜，以防止平行分量透射损失，进而，光经过轴锥体后，垂直分量的损失远大于平行分量，光在谐振腔中来回振荡多次经过轴锥体，最终使垂直分量损失殆尽，平行分量得到增益放大，当其增益大于腔内损耗且超过激光产生的阈值后，光学谐振腔输出径向偏振激光。该轴锥体以简洁的结构实现了平行分量的选择以产生径向偏振光，对于本领域工程技术人员来说可实施性更强，成本更低，适合广泛用于产生径向偏振光的设备中。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的轴锥体的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的光入射Nd：YAG介质表面的光路图；

图3是本实用新型实施例提供的光在轴锥体内外的传播路径示意图（一）；

图4是本实用新型实施例提供的光在轴锥体内外的传播路径示意图（二）；

图5是本实用新型实施例提供的光从空气进入Nd：YAG时的反射率随入射角的变化曲线；

图6是本实用新型实施例提供的光从空气进入Nd：YAG时的透射率随入射角的变化曲线；

图7是本实用新型实施例提供的激光谐振腔的结构示意图（一）；

图8是本实用新型实施例提供的激光谐振腔的结构示意图（二）。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

以下结合具体实施例对本实用新型的具体实现进行详细描述：

图1示出了本实用新型实施例提供的轴锥体的结构示意图，图2示出了光入射Nd：YAG介质表面的光路图，图3、4示出了光在轴锥体内外的传播路径示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。

本实用新型实施例提供的轴锥体1为一种圆锥状的晶体轴锥体，该晶体轴锥体可以是激光增益晶体或非增益晶体，可对入射光进行平行分量的选择，进而形成径向偏振光，以下提供具体的实现方式：用于对入射光进行平行分量与垂直分量的分离以获得平行分量，进而形成径向偏振光，如图1，该轴锥体1由钇铝石榴石（YAG）晶体或掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG）晶体加工而成，轴锥体1的形状为等腰三角形以其中轴线为轴旋转一周形成的圆锥状，其包括底面11和锥面12，为了使入射光的垂直分量在经过轴锥体1的过程中损失掉，本实施例将该轴锥体1的底角θ设计为布鲁斯特角，该“底角”为底面11与锥面12间的夹角，亦即自轴锥体1的顶点O引出的垂直于锥面12与底面11交线的直线L与底面11间的夹角，结合图3，当光以布鲁斯特角θ_B入射到介质表面时，反射光中只有垂直分量S，而平行分量P全部透射，透射光包括垂直分量S和平行分量P，部分垂直分量S因反射而损耗，平行分量P则无损耗的进入轴锥体，该平行分量P是形成径向偏振光的必要条件。因此，当光入射到该轴锥体1时，可以将垂直分量S的光子通过反射分离出来，而平行分量P的光子则进入光学谐振腔，通过增益介质引起平行分量光子的振荡，最终产生径向偏振激光。

进一步结合图2，图中S⁽ⁱ⁾为入射光，S^(r)为反射光，S^(t)为透射光，轴锥体1的材质为YAG或Nd：YAG，YAG和Nd：YAG的折射率十分接近，均按1.82计，根据菲尼尔公式得出的光从空气进入YAG或Nd：YAG介质发生折射和反射时的透射率和反射率的公式如下所示：

$R_{//}=\frac{{\tan }^2({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_t)}{{\tan }^2({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_t)}---\left(1\right)$

$R_{\⊥}=\frac{{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_t)}{{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_t)}---\left(2\right)$

R_∥+T_∥=1   （3）

R_⊥+T_⊥=1   （4）

其中，T_∥为平行分量的透射率，T_⊥为垂直分量的透射率，R_∥为平行分量的反射率，R_⊥为垂直分量的反射率，θ_i为光入射轴锥体表面的入射角，θ_t为光折射进入轴锥体的折射角。

根据上述公式，当入射角θ_i=61.2134°时，平行分量的反射率R_∥=0，平行分量的透射率T_∥=1，反射光中只有垂直分量，没有平行分量，θ_i=61.2134°即为布鲁斯特角θ_B。如图5、6，分别示出了光从空气进入Nd：YAG时的反射率随入射角的变化曲线和透射率随入射角的变化曲线。由上述内容及附图3可知，当光以布鲁斯特角θ_B由空气入射轴锥体1时，在轴锥体1的表面上会发生光子的反射与透射现象，反射光全部由垂直分量S光子组成，而部分垂直分量S的光子和平行分量P的光子则通过透射从空气进入轴锥体1。

进一步结合图4所示的光路图，该图以轴锥体1一纵截面为例示意光的传播路径。为了便于说明，将图4中的锥面12的上半部分称为第一锥面121，将下半部分称为第二锥面122，光以布鲁斯特角θ_B射入轴锥体1的第一锥面121，在第一锥面121上发生反射与折射，反射光中只有垂直分量光子，通过计算，垂直分量的反射率为0.2875，透射率为0.7125，平行分量的反射率为0，透射率为1，平行分量无反射损失；部分垂直分量和全部平行分量进入轴锥体1，并在轴锥体1的底面11发生反射和折射，垂直分量的反射率为0.5645，平行分量的反射率为0.1298，垂直分量的透射率为0.4355，平行分量的透射率为0.8702；反射光射向第二锥面122，在第二锥面122上，平行分量全部投射。可以理解，光也可以自第二锥面122入射，自第一锥面121出射，其传播路径和相应透射率与反射率数据同样适用。由此可见，光每经过一次轴锥体1，其垂直分量在第一锥面121处都会损失28.75%，而平行分量在第一锥面121处不会损失，但是在底面11上，平行分量因透射产生的损失高达87.02%，远高于垂直分量的损失，因此，若要将平行分量分离出来用于产生径向偏振光，还需要消除平行分量在底面11上的损失，使光每次经过轴锥体1，其损失的垂直分量都大于或远大于平行分量的损失。

为了解决平行分量在底面11上的透射损失，本实施例在底面11上镀光学膜13，用于反射来自第一锥面121的光，如图4。根据光的入射角（θ_i=布鲁斯特角=61.2134°）、轴锥体1的底角（θ=布鲁斯特角θ_B=61.2134°）及轴锥体1的折射率（1.82）计算得到：光在轴锥体1内以θ₁=32.4268°入射至底面2，另外，YAG或Nd：YAG轴锥体产生径向偏振激光的波长为1064nm，因此，底面11上镀的光学膜13为可以对入射角为32.4268°±2′（优选32.4268°）、波长为1064nm的光进行反射的光学膜。

在激光谐振腔中，光在激光输出镜2与轴锥体1形成的法布里-珀罗谐振腔中来回振荡，每次经过轴锥体1时，垂直分量就损失一部分，而平行分量则无损失，最终只有平行分量在谐振腔中来回振荡形成激光。当轴锥体1的材质为不掺杂Nd的YAG晶体时，激光谐振腔中通常设有增益介质3，即掺杂Nd的YAG晶体，此时采用侧泵浦的方式在增益介质侧面泵浦，因此光学膜13采用对入射角为32.4268°±2′（优选32.4268°）、波长为1064nm的光反射的高反膜。

当轴锥体1的材质为Nd：YAG晶体时，Nd：YAG具有增益作用，因此其可同时作为反射镜和增益介质，谐振腔中可不另设增益介质，此时需要采用端泵浦的方式，在轴锥体1的底面中心点处泵浦，此时，光学膜13不仅要能够对入射角为32.4268°±2′（优选32.4268°）、波长为1064nm的光进行反射，还要能够透射泵浦光，例如，采用808nm激光二极管进行端泵时，该光学膜13采用对808nm的光透射，对入射角为32.4268°±2′（优选32.4268°）、波长为1064nm的光反射的光学膜。

本发明实施例提供了底角θ为布鲁斯特角的YAG或Nd：YAG轴锥体，当光以布鲁斯特角入射轴锥体1时，在其入射面上垂直分量通过反射损失掉一部分，而平行分量则全部透射，并且，在轴锥体1的底面11镀光学膜13，可防止平行分量损失，光在谐振腔中来回振荡多次经过轴锥体，最终使垂直分量损失殆尽，平行分量得到增益放大，当其增益大于腔内损耗且超过激光产生的阈值后，光学谐振腔输出径向偏振激光。该轴锥体结构简洁，能够有效选择出平行分量以产生径向偏振光，对于本领域工程技术人员来说可实施性更强，成本更低，适合广泛用于产生径向偏振光的设备中。

可以理解，该轴锥体还可以采用其他材质的晶体，如掺Yb的YAG晶体，根据上述设计原理将其底角设计为布鲁斯特角，并根据光在轴锥体内的传输路径选择合适的光学膜，即可实现平行分量的腔内振荡，具体的计算过程本实施例不再赘述。

本实用新型进一步提供一种激光谐振腔，其包括激光输出镜2及上述的轴锥体1，激光输出镜2与轴锥体1的底面平行，该轴锥体1与激光输出镜2构成法布里-珀罗谐振腔。如图7，当轴锥体1的材质为非增益晶体（如不掺杂的YAG晶体）时，于轴锥体1和激光输出镜2之间还设有增益介质3（如Nd：YAG增益介质），且于增益介质3的侧面泵浦。

如图8，当轴锥体1的材质为增益晶体（如Nd：YAG晶体）时，轴锥体1和激光输出镜2之间可不设增益介质，轴锥体1本身作为反射镜和增益介质，此时于轴锥体1的端部泵浦。当然，也可以在轴锥体1和激光输出镜2之间设置增益介质3，此时同时在增益介质3的侧面及轴锥体1的端部泵浦。

上述激光谐振腔通过轴锥体进行平行分量的选择并通过来回振荡放大以输出径向偏振激光，结构简洁新颖，可实施性佳。可以理解，包括该激光谐振腔的激光器也在本实用新型的保护范围内。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种轴锥体，其特征在于，为圆锥状的晶体轴锥体，包括锥面及底面，所述锥面与底面之间的夹角为布鲁斯特角，所述底面镀有可对以布鲁斯特角入射所述锥面而进入所述轴锥体内的光进行反射的光学膜。

2.如权利要求1所述的轴锥体，其特征在于，所述晶体轴锥体为YAG轴锥体，所述光学膜为对波长为1064nm、入射角为32.4268°±2′的光进行反射的光学膜。

3.如权利要求1所述的轴锥体，其特征在于，所述轴锥体为Nd：YAG轴锥体，所述光学膜为对波长为1064nm、入射角为32.4268°±2′的光进行反射，且对经所述底面入射的泵浦光进行透射的光学膜。

4.一种激光谐振腔，其特征在于，包括激光输出镜及权利要求1至3任一项所述的轴锥体，所述轴锥体的底面与所述激光输出镜平行，所述激光输出镜与所述轴锥体形成法布里-珀罗谐振腔。

5.如权利要求4所述的激光谐振腔，其特征在于，当所述轴锥体为非增益晶体轴锥体时，所述激光谐振腔还包括设于所述轴锥体与所述激光输出镜之间的增益介质。

6.一种激光器，其特征在于，包括权利要求4或5所述的激光谐振腔。

7.如权利要求6所述的激光器，其特征在于，当所述激光谐振腔中的轴锥体为非增益晶体轴锥体时，于所述增益介质的侧面设有泵浦源。

8.如权利要求6所述的激光器，其特征在于，当所述激光谐振腔中的轴锥体为增益晶体轴锥体时，于所述轴锥体的底面中心处设有泵浦源。

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