一種軸對稱偏振諧振腔鏡的製作方法
2023-05-19 17:30:26
專利名稱：一種軸對稱偏振諧振腔鏡的製作方法
技術領域：
一種軸對稱偏振諧振腔鏡技術領域[0001]本實用新型屬於雷射器件領域，涉及到諧振腔鏡，具體涉及一種軸對稱偏振諧振腔鏡。
背景技術：
[0002]軸對稱偏振光是一種在光束橫截面內除光束中心外各點均存在偏振方向與徑向成相同角度的偏振光束。當二者夾角等於90°時，稱為環向偏振光(如圖Ι-a所示)。當二者夾角等於0°時，稱為徑向偏振光(如圖l_b所示)，圖1中的箭頭指向為電矢量方向。 由於軸對稱偏振光的特殊偏振特性，在很多領域中表現出誘人的應用前景。[0003]環向偏振光可以應用於工業雷射打孔，其加工的孔與圓偏振光加工的孔相比，具有孔的深度大、孔徑小、錐度小、熱影響區小等特點。[0004]到目前為止，徑向偏振光的應用領域更加廣泛。在科學研究領域，徑向偏振光在強聚焦下，焦點位置將出現一個很強的縱向電場，可以用於對帶電粒子加速。徑向偏振光也可以作為「光鑷子」實現對粒子捕獲。徑向偏振光還可以用於近場成像，提高顯微鏡的解析度。 在工業加工領域，徑向偏振光用於切割，相比於圓偏振光切割效率可以提高2倍左右。[0005]目前，軸對稱偏振光的產生分為被動和主動兩種方式。被動的方式主要採用波片， 偏振片等元件對線偏振光作旋轉疊加，或使用一對偏振正交的TEMtll光束相干疊加得到。主動方式一般利用軸對稱的雙折射元件或利用布儒斯特錐鏡等方法。[0006]申請號200820165973. 0公開了《一種實現線偏振光轉換為徑向偏振光的裝置》， 該方法採用半波片、四分之一波片、雙折射晶體、石英偏振旋轉器等通過有序排列將線偏振光轉換為徑向偏振光。該方法採用的光學器件多，結構複雜，並且對波片和雙折射元件的光軸之間的相對位置要求嚴格，調整不方便，轉換效率也不高。申請號200910051101. 0公開了一種《輸出徑向偏振光束的雷射器》，這種方法以布儒斯特軸錐鏡作為腔內偏振元件產生徑向偏振光。由於插入布儒斯特軸錐鏡到腔內，增加了諧振腔的損耗。而且布儒斯特軸錐鏡的製造和調整精度要求極高，限制了徑向偏振光的輸出功率和偏振度。實用新型內容[0007]本實用新型針對上述技術的不足，提出了一種軸對稱偏振諧振腔鏡，該諧振腔鏡偏振選擇度大，反射率高，軸對稱性好，熱穩定性優良，可以得到高功率、高偏振度的軸對稱偏振光。[0008]本實用新型提供的一種軸對稱偏振諧振腔鏡，其特徵在於，它包括光柵、多層介質膜和基底；光柵的刻線呈圓環狀，並分布均勻，且與基底同心，光柵的刻線剖面為矩形，光柵鏡刻蝕區的尺寸滿足關係Φ2= ￠^2*!^其中，Ct1為基底直徑，Φ2為光柵刻蝕區圓環的直徑，L為基底上未鍍膜和未刻蝕光柵的圓環寬度；多層介質膜由高低折射率材料交替層疊而成；多層介質膜位於光柵和基底之間，光柵層厚度小於多層介質膜總厚度；基底是平面鏡或凹面鏡。[0009]本實用新型通過對光柵參數，包括光柵的周期、刻槽深度、佔空比等參數的調節， 可以設計出過光柵鏡任一直徑的入射面內對正入射的P偏振分量具有高反射率且高於正入射的S偏振分量反射率10%以上的徑向偏振光柵鏡，或是對正入射的S偏振分量具有高反射率且高於正入射的P偏振分量反射率10%以上的環向偏振光柵鏡。這樣就可以得到高純度的徑向或環向軸對稱偏振光。該腔鏡結構簡單、對稱性好、熱穩定性能和機械性能優良，可以作為諧振腔的尾鏡，廣泛應用於氣體、固體雷射器，以產生高功率、高純度的軸對稱偏振光。具體而言，本實用新型具有以下技術特點[0010](1)所述的基底具有熱穩定性好的特點，既可以是平面鏡，也可以是凹面鏡。高熱穩定性的基底可以滿足高功率雷射器的使用要求。[0011]( 所述的多層介質膜位於基底之上，是由高低折射率材料交替層疊而成。它具有低吸收，高損傷閾值等特點，可以增強腔鏡的反射率達到雷射諧振腔尾鏡的要求。[0012](3)光柵位於多層介質膜之上，其刻線呈圓環狀，並分布均勻，而且與腔鏡同心。光柵刻線剖面為矩形。由於過光柵鏡任一直徑的入射面內，光柵對於一對正交的偏振態，P偏振分量和S偏振分量具有明顯的反射率差異。因此，光柵具有很強的偏振選擇特性。光柵的圓形刻蝕結構，可以使徑向或環向軸對稱偏振光體現出完美的圓對稱性。高的偏振選擇特性，有利於得到高純度的徑向或環向軸對稱偏振光。
[0013]圖Ι-a、圖Ι-b為兩類軸對稱偏振光TEM_模的電矢量結構圖；[0014]圖2為本實用新型實施例左視結構示意圖；[0015]圖3為本實用新型實施例剖面結構示意圖；[0016]圖4為本實用新型實施例正視結構示意圖；[0017]圖5為本實用新型實施例典型結構示意圖；[0018]圖6為本實用新型實施例典型結構的反射率與光柵深度之間的關係圖。
具體實施方式
[0019]
以下結合附圖對本實用新型作進一步的詳細說明。[0020]如圖2所示，本實用新型包括光柵1、多層介質膜2和基底3。[0021]如圖3，4所示，光柵1的刻線呈圓環狀，並分布均勻，且與腔鏡同心。中心未刻蝕區的直徑為Φ 3，其取值一般小於光柵的三十個周期。光柵鏡刻蝕區的尺寸滿足關係Φ2 = (^-2禮，其中，Ct1為基底直徑，Φ2為光柵刻蝕區圓環的直徑。L為基底上未鍍膜和未刻蝕光柵的圓環寬度。光柵作為偏振選擇器件，僅對徑向軸對稱偏振光或環向軸對稱偏振光具有較高的反射率，而對與之正交的環向軸對稱偏振光或徑向軸對稱偏振光具有很低的反射率。圓形光柵刻蝕結構，可以使徑向或環向軸對稱偏振光體現出完美的圓對稱性。高的偏振選擇特性，有利於得到高純度的徑向或環向軸對稱偏振光。[0022]基底3具有熱穩定性和機械特性好的特點，既可以是平面鏡，也可以是凹面鏡。高熱穩定性的基底可以滿足高功率的使用要求。[0023]多層介質膜2位於光柵1和基底3之間，光柵層厚度小於多層介質膜總厚度。光柵 1的刻線剖面為矩形。多層介質膜2的直徑等於光柵刻蝕區的直徑Φ2。多層介質膜2由高低折射率材料交替層疊而成，具有低吸收，高損傷閾值，高反射等特點。因此，多層介質膜2 可以大大提高腔鏡對光柵選擇出來的徑向或環向軸對稱偏振光的反射率，使其達到雷射諧振腔尾鏡的要求。對於輸出波長在遠紅外區的雷射器，高折射率材料一般為鍺、硒化鋅、砷化鎵等半導體材料，既具有對雷射吸收率低，又有較大折射率的特點。而低折射率材料一般為四氟化釷，氟化釔等氟化物。同樣，這些材料對雷射有低吸收，又有較小折射率。對於輸出波長在近紅外區的雷射器，高折射率材料一般為二氧化鉿，二氧化鈦、二氧化鋯或五氧化二鉭等金屬氧化物材料，既具有對雷射吸收率低，又有較大折射率的特點。而低折射率材料一般為對雷射低吸收率低的二氧化矽。多層介質膜層數通常在2至21層之間。雷射在各介質膜層中的光程為波長的四分之一，多層介質膜的總厚度由所採用的高、低折射率材料的折射率和設計的膜層數決定。[0024]上述技術方案適用於不同輸出波長、不同各種類的雷射器所需的諧振腔鏡，下面以輸出波長為10. 6微米的(X)2雷射器為例，進一步詳細地說明上述技術方案的具體實現過程。[0025]如圖5所示的光柵具體結構，對於輸出波長為10. 6微米的(X)2雷射器，基底和光柵區均採用砷化鎵。Ct1為27. 94毫米，Φ2* 22.00毫米，(^為0.20毫米。多層介質膜的高折射率材料為硒化鋅，低折射率材料為四氟化釷，多層膜的層數為5層。光柵的周期Λ 為6微米，光柵脊寬b為3微米，改變光柵的深度d計算得到兩種偏振光的反射率曲線，如圖6所示。當光柵深度d在1.50微米附近的區間A內(d大於1.40微米小於1.75微米) 取值時，正入射的P偏振分量的反射率超過99. 0%，而正入射S偏振分量的反射率均小於 5334%。同樣，當光柵深度d在3. 30微米附近的區間B內(d大於3. 25微米小於4. 25微米)取值時，正入射的P偏振分量的反射率超過99. 0%，而正入射S偏振分量的反射率均小於88. 41%。可見，在光柵的深度取值在區域A、B中時，這種光柵鏡結構既具有高的反射率同時具有優良的偏振選擇性，適宜於作為雷射諧振腔的尾鏡產生徑向偏振光。因此，在製作光柵的時候可以在區域A、B中優選光柵的深度，使其一方面達到尾鏡的要求，另一方面偏振選擇性強，並具有較大的製造公差範圍。[0026]本實用新型不僅局限於上述具體實施方式
，本領域一般技術人員根據本實用新型公開的內容，可以採用其它多種具體實施方式
實施本實用新型，因此，凡是採用本實用新型的設計結構和思路，做一些簡單的變化或更改的設計，都落入本實用新型保護的範圍。
權利要求1. 一種軸對稱偏振諧振腔鏡，其特徵在於，它包括光柵(1)、多層介質膜( 和基底⑶；光柵(1)的刻線呈圓環狀，並分布均勻，且與基底(3)同心，光柵(1)的刻線剖面為矩形，光柵鏡刻蝕區的尺寸滿足關係Φ2 = ￠^2*!^其中，Ct1為基底直徑，Φ2為光柵刻蝕區圓環的直徑，L為基底C3)上未鍍膜和未刻蝕光柵的圓環寬度；多層介質膜O)由高低折射率材料交替層疊而成；多層介質膜( 位於光柵(1)和基底C3)之間，光柵層厚度小於多層介質膜總厚度； 基底C3)是平面鏡或凹面鏡。
專利摘要本實用新型公開了一種軸對稱偏振諧振腔鏡，它包括光柵、多層介質膜和基底；光柵的刻線呈圓環狀，並分布均勻，且與基底同心，光柵的刻線剖面為矩形，光柵鏡刻蝕區的尺寸滿足關係φ2＝φ1-2*L，其中，φ1為基底直徑，φ2為光柵刻蝕區圓環的直徑，L為基底上未鍍膜和未刻蝕光柵的圓環寬度；多層介質膜是由高低折射率材料交替層疊而成；多層介質膜位於光柵和基底之間，光柵層厚度小於多層介質膜總厚度。該腔鏡具有對P偏振或S偏振選擇和高反射的特點，而且具有圓對稱性。可用於雷射諧振腔的尾鏡，得到高偏振度的軸對稱偏振光束。
文檔編號H01S3/101GK202333432SQ20112045464
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月16日 優先權日2011年11月16日
發明者李波, 楊揚, 王又青, 賀昌玉, 趙江 申請人:華中科技大學