CN203589447U - 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θ满足：平行于轴锥体的中心轴传输的光经锥面入射至轴锥体内部后，能够在底面发生全反射，并且满足：光经锥面射入及射出时，其平行分量的反射率均小于或等于0.5%。本实用新型利用全反射原理及光在介质与空气中传播的光学原理，对轴锥体的底角θ进行限定，使入射光在轴锥体的底面发生全反射，同时将平行分量在轴锥体的锥面上的反射损耗限制为1%以内，引起平行分量光子在腔内振荡放大形成径向偏振激光。该轴锥体结构简洁，能够有效选择平行分量光子以形成腔内振荡，适合用于产生径向偏振光的设备中。

Description

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、易于制造的轴锥体，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θ满足：平行于所述轴锥体的中心轴传输的光经所述锥面入射至轴锥体内部后，能够在所述底面发生全反射，并且满足：光经所述锥面射入及射出时，其平行分量的反射率均小于或等于0.5%。

作为本实用新型的优选技术方案：

所述晶体轴锥体为YAG或Nd：YAG轴锥体，所述锥面与底面之间的夹角θ为：62.496°-2′≤θ≤65.61°+2′。

所述锥面与底面之间的夹角θ为：62.496°≤θ≤65.61°。

所述锥面与底面之间的夹角θ为：62.496°-2′≤θ≤65.61°-2′。

所述锥面与底面之间的夹角θ为：62.496°+2′≤θ≤65.61°+2′。

所述锥面与底面之间的夹角θ为：62.496°+2′≤θ≤65.61°-2′。

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，所述激光输出镜与所述轴锥体的底面平行，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。

本实用新型的另一目的在于提供一种激光器，包括上述的激光谐振腔。

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。

本实用新型利用全反射原理及光在介质与空气中传播的光学原理，对轴锥体的底角θ进行限定，使入射光在轴锥体的底面上发生全反射以避免平行分量在底面产生透射损耗，同时通过对底角的限定使光经过轴锥体的锥面入射及出射时，其平行分量的反射损耗均在0.5%以内，进而使入射光每经过一次轴锥体，其平行分量的损耗远远小于垂直分量的损耗，且不大于1%，引起平行分量光子在腔内振荡放大形成径向偏振激光。该轴锥体结构简洁，便于设计制造，成本低，能够有效选择平行分量光子以形成腔内振荡，适合本领域工程技术人员实施，适合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；

图4是本实用新型实施例提供的光入射轴锥体的入射角与入射底面的入射角的关系曲线；

图5是本实用新型实施例提供的光从轴锥体第一锥面入射时平行分量和垂直分量的反射率与底角θ的关系曲线；

图6是本实用新型实施例提供的光从轴锥体第一锥面入射时平行分量和垂直分量的透射率与底角θ的关系曲线；

图7是本实用新型实施例提供的光从轴锥体第二锥面射出时平行分量和垂直分量的反射率与底角θ的关系曲线；

图8是本实用新型实施例提供的光从轴锥体第二锥面射出时平行分量和垂直分量的透射率与底角θ的关系曲线；

图9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10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用于对入射光进行平行分量的选择，进而形成径向偏振光，该轴锥体为圆锥状的晶体轴锥体，该晶体可以是激光增益晶体，也可以是非增益晶体，包括锥面及底面，根据轴锥体的材质对该轴锥体的底角进行限定，可以对入射光的平行分量进行选择以形成径向偏振光，以下提供一种具体的实现方式：参考图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。进一步参考图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。

请继续参考图3，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3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，轴锥体底角为θ，所述“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。平面输出镜反射的光以θ角平行于轴锥体1的中轴线入射轴锥体1的第一锥面121，在第一锥面121上发生第一次反射与折射，折射角为θ₁，折射进入轴锥体的光以θ₂入射底面11，经底面11发生第二次反射与折射，折射角为θ₃，折射出轴锥体1的光被损失掉，被底面11反射的光在第二锥面122处发生第三次反射与折射，折射角为θ。光经过一次轴锥体1，会发生三次反射与折射。由于底面11的折射光线中包含的平行分量大于甚至远远大于垂直分量，因此为了减少平行分量在底面11处的损失，本实施例利用全反射原理，通过对轴锥体1的底角θ进行限定，使之满足全反射的条件。当光由介质射向空气时，满足光学公式：n_空气×sinθ′=n_Nd：YAG×sinθ″，其中，θ′为光线由介质射向空气的折射角，θ″为光线入射介质表面的入射角，当θ′=90°时，发生全反射，n_空气=1，n_Nd：YAG=1.82，因此θ″=33.3293°，全反射的临界角θ_c=θ″=33.3293°。本实施例的轴锥体1的底角θ根据下述公式计算得出：

sinθ=1.82sinθ₁     （5）

θ=θ₁+θ₂     （6）

θ₂=θ″=33.3293°     （7）

由此得出：θ=62.496°，当光以入射角62.496°≤θ≤90°入射轴锥体时，可在底面发生全反射，避免平行分量透射损失。根据上述公式，图4也示出了入射轴锥体的入射角θ与入射底面11的入射角θ₂的关系图。因为光是平行于轴锥体中轴线入射的，进而，轴锥体1的底角与入射角θ相等，底角θ满足62.496°≤θ≤90°。

以上提供了满足光在轴锥体1内发生全反射的底角θ的可选范围，这是实现平行分量选择的条件之一。另外，光在第一锥面121及第二锥面122均发生反射及折射，垂直分量和平行分量的损耗包括在第一锥面121和第二锥面122的反射损耗。对于构成能够引起平行分量光子振荡的光学谐振腔，要想在腔内选出平行分量的光子，必须使垂直分量的光子数量的损耗速率远大于平行分量光子数量的损耗速率，对于平面反射镜与平面输出镜组成的法布里-珀罗光学谐振腔，按照激光理论及工业激光谐振腔的使用经验，其激光腔内反射镜的反射率必须≥99%。本实施例的轴锥体1在光学谐振腔内充当着反射镜的作用，即轴锥体1对于平行分量的光子的反射率要≥99%，在平行分量的光子能够在轴锥体1的底面11发生全反射的前提下，其损耗主要发生在轴锥体的锥面上，平行分量的光子在轴锥体的锥面上的损耗必须≤1%，即平行分量在第一锥面121和第二锥面122处的总反射率≤1%。进一步的，光由空气平行于轴锥体1的中轴线入射轴锥体1，在第一锥面121处发生光的反射和折射，由于轴锥体1的轴对称结构，光会在第二锥面122处平行于入射方向射出。光从空气入射到轴锥体1和光从轴锥体1入射到空气，其入射角与折射角互易，在第一锥面121及第二锥面122处的反射率同样遵从上面公式（1）、（2），根据上述公式，平行分量的反射率于光平行入射第一锥面121和光从第二锥面122平行射出时是相同的，因此损耗相同。所以，平行分量在第一锥面121及第二锥面122的反射率均≤0.5%。

进一步的，结合本实施例中的光学公式可计算得出光在第一锥面121、第二锥面122的反射率、底面11的透射率、入射底面11的入射角θ₂、全反射临界角θ_c及轴锥体底角θ的关系，表1示出了上述计算数据，其中，图5、6、7、8也分别示出了轴锥体第一锥面和第二锥面处平行分量和垂直分量的反射率与透射率与底角θ的关系，参见下表：

通过上表可见，当轴锥体的底角θ≤65.61°时，平行分量在第一锥面121的反射损耗≤0.5%，结合上述全反射的条件：62.496°≤θ≤90°，得出该轴锥体的底角θ满足：62.496°≤θ≤65.61°，该范围的上限值与下限值存在2′的公差，即62.496°±2′≤θ≤65.61°±2′。其最大范围为62.496°-2′≤θ≤65.61°+2′，最小范围为62.496°+2′≤θ≤65.61°-2′，优选范围为62.496°≤θ≤65.61°。

将轴锥体1的底角θ进行上述限定后，根据表1可见，当底角θ=62.496°时，垂直分量的反射率R_①⊥=0.3022，平行分量的反射率R_①∥=3.6*10^-4，垂直分量与平行分量的损耗率之比为839，当底角θ=65.61°时，垂直分量的反射率R_①⊥=0.3419，平行分量的反射率R_①∥=5*10^-3，损耗率之比为68，因此，垂直分量的损耗远大于平行分量的损耗，极易选择平行分量的光子并在谐振腔内引起光子振荡，进而产生径向偏振激光。

本实用新型实施例通过将轴锥体1的底角θ限定为62.496°±2′≤θ≤65.61°±2′，使入射光在底面11上发生全反射以避免平行分量在底面11产生透射损耗，同时限制了平行分量在轴锥体1的锥面12上的反射损耗，使入射光每经过一次轴锥体1，其平行分量的损耗≤1%，以引起平行分量光子在腔内振荡放大形成径向偏振激光。该轴锥体1结构简洁，便于设计制造，成本低，能够有效选择平行分量光子以形成腔内振荡，十分适合本领域工程技术人员实施，适合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，根据上述设计原理计算其底角范围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。激光输出镜2可为平面镜。如图9，当轴锥体1的材质为非增益晶体（如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10，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3，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，成本低，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 (10)

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θ满足：平行于所述轴锥体的中心轴传输的光经所述锥面入射至轴锥体内部后，能够在所述底面发生全反射，并且满足：光经所述锥面射入及射出时，其平行分量的反射率均小于或等于0.5%。

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或Nd：YAG轴锥体，所述锥面与底面之间的夹角θ为：62.496°-2′≤θ≤65.61°+2′。

3.如权利要求2所述的轴锥体，其特征在于，所述锥面与底面之间的夹角θ为：62.496°≤θ≤65.61°。

4.如权利要求2所述的轴锥体，其特征在于，所述锥面与底面之间的夹角θ为：62.496°-2′≤θ≤65.61°-2′。

5.如权利要求2所述的轴锥体，其特征在于，所述锥面与底面之间的夹角θ为：62.496°+2′≤θ≤65.61°+2′。

6.如权利要求2所述的轴锥体，其特征在于，所述锥面与底面之间的夹角θ为：62.496°+2′≤θ≤65.61°-2′。

7.一种激光谐振腔，其特征在于，包括激光输出镜及权利要求1至6任一项所述的轴锥体，所述激光输出镜与所述轴锥体的底面平行，所述激光输出镜与所述轴锥体形成法布里-珀罗谐振腔。

8.如权利要求7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。

9.一种激光器，其特征在于，包括权利要求7或8所述的激光谐振腔。

10.如权利要求9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；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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