一種全反射稜鏡式環形雷射器的製作方法
2023-04-25 02:59:16 2
本發明屬於雷射技術領域，尤其涉及一種全反射稜鏡式環形雷射器。
背景技術：
目前，對於常用的反射鏡式環形雷射器通常採用有一定透過率的反射鏡作為環形腔雷射器的輸出腔鏡，以獲得雷射輸出。但對於全反射稜鏡式環形雷射器中的雷射輸出卻遇到了問題。
通常，反射鏡式環形雷射器採用具有一定透過率的反射鏡作為雷射器的輸出腔鏡時，要想得到最佳的輸出功率和最佳的雷射轉換效率，對輸出耦合鏡有不同的要求。為了得到最佳的雷射輸出，須要對輸出耦合鏡的透過率進行優化。輸出耦合鏡的輸出比例是通過多層介質反射膜來實現的，不論是輸出波長還是透過率，都是不能調節的，一旦選用則雷射器透射波長和透過率就是固定的，並且這種耦合輸出鏡通常是垂直於輸出光軸。在強雷射中，腔鏡介質膜的耐雷射損傷能力也比較差，也就是損傷閾值比較低。而且多層介質膜每層的光學厚度須為波長的四分之一，並且為了避免雜質的吸收和散射損耗，鍍膜材料的純度要求也很高，這使得優質鍍膜的成本很高。
對於全反射稜鏡式環形雷射器可以利用稜鏡構成具有一定「楔形」間隙的稜鏡耦合輸出器，以獲得雷射輸出。「楔形」間隙稜鏡輸出耦合器，就是將一塊耦合稜鏡靠近輸出全反射稜鏡放置，使兩塊稜鏡的工作面間具有波長量級的「楔形」間隙，利用兩塊稜鏡的工作面間形成的「楔形」間隙角度來控制耦合器的輸出比例，這種耦合方法類似於平板波導中的稜鏡耦合。缺點是：由於兩稜鏡面之間接觸面為一線面屬於多點接觸，由於加工精度原因，不可能做到完全接觸，在實際應用操作過程中難以實現和控制「楔形」間隙角度且耦合輸出效率低。
技術實現要素：
為解決上述問題，本發明提供一種全反射稜鏡式環形雷射器，其中採用了球隙稜鏡輸出耦合器，球隙稜鏡耦合器利用球底稜鏡與輸出全反射稜鏡工作面間波長量級的球底間隙，可獲得全反射稜鏡式環形雷射器諧振腔的雷射輸出，解決全反射稜鏡式環形雷射器的雷射輸出問題。
一種全反射稜鏡式環形雷射器，包括球隙稜鏡輸出耦合器3以及四個反射面；
所述球隙稜鏡輸出耦合器3為扇形結構，底部為球面，且與球面相接的兩個斜側面相互垂直，與球面相接的兩個扇形面相互平行；
所述四個反射面形成一個雷射振蕩的全反射環形腔結構，同時球隙稜鏡輸出耦合器3以底部的球面固定在任意一個反射面的外側上，且底部的球面與該反射面之間的間隙為波長量級，同時球隙稜鏡輸出耦合器3底部的球面為雷射耦合輸出面。
進一步地，一種全反射稜鏡式環形雷射器，還包括板條雷射介質1，所述四個反射面由2個直角稜鏡2的四個側面構成；
所述直角稜鏡2以斜面分別固定於板條雷射介質1的兩端；
所述球隙稜鏡輸出耦合器3以底部的球面固定於任一直角稜鏡2的任一側面上；
所述板條雷射介質1、球隙稜鏡輸出耦合器3以及2個直角稜鏡2的材料相同。
進一步地，一種全反射稜鏡式環形雷射器，還包括板條雷射介質1和反射鏡4，所述四個反射面由2個直角稜鏡2的四個側面構成；
所述直角稜鏡2以斜面分別固定於板條雷射介質1的兩端；
所述球隙稜鏡輸出耦合器3以底部的球面固定於任一直角稜鏡2的任一側面上；
所述反射鏡4放在球隙稜鏡輸出耦合器3的耦合出口處，將球隙稜鏡輸出耦合器3水平輸出的雷射原路反射回全反射稜鏡式環形雷射器；
所述板條雷射介質1、球隙稜鏡輸出耦合器3以及2個直角稜鏡2的材料相同。
進一步地，一種全反射稜鏡式環形雷射器，所述四個反射面由4個直角稜鏡2的四個斜面構成；
其中直角稜鏡2的擺放位置滿足：對於每個直角稜鏡2，其斜面法線方向的位置都放置有另一個直角稜鏡2，且相鄰的兩個直角稜鏡2的相鄰側面相互平行，最終形成一個全反射稜鏡式環形腔結構；
所述球隙稜鏡輸出耦合器3以底部的球面固定於任一直角稜鏡2的斜面上；
所述球隙稜鏡輸出耦合器3以及4個直角稜鏡2的材料相同。
進一步地，所述球隙稜鏡輸出耦合器3的兩個斜側面和底部的球面經過拋光處理。
進一步地，所述板條雷射介質1的材料為nd:yag，折射率為1.823。
進一步地，所述板條雷射介質1的材料為yb:yag，折射率為1.823。
進一步地，所述板條雷射介質1的材料為nd:luag。
有益效果：
1)本發明球隙稜鏡輸出耦合器與輸出界面的耦合為球面與平面的耦合，將現有技術中兩個平面之間的距離由面上隨機出現的多點決定，變成一個平面與球面之間的一個點的接觸，增大了可調節的距離，球隙稜鏡輸出耦合器通過改變底部的球面的頂點與環形雷射器諧振腔輸出平面之間的距離，可調諧雷射耦合輸出比例或透過率，有利於提高雷射耦合透過率；
2)本發明的球隙稜鏡輸出耦合器利用底部的球面與輸出全反射稜鏡工作面間波長量級的球底間隙，可獲得全反射稜鏡式環形雷射器諧振腔的雷射輸出，解決全反射稜鏡式環形雷射器的雷射輸出問題；
3)本發明的球隙稜鏡輸出耦合器無需鍍膜，不存在腔鏡介質膜耐雷射損傷能力比較差的問題，同時有利於降低成本，適應雷射輸出波段寬。
附圖說明
圖1(a)為本發明頂角為直角的球隙稜鏡輸出耦合器結構示意圖；
圖1(b)為本發明頂角為平角的球隙稜鏡輸出耦合器結構示意圖；
圖1(c)為本發明頂角為平角的球隙稜鏡輸出耦合器三維結構示意圖；
圖2為本發明的基於球隙稜鏡輸出耦合器的直腔結構環形雷射器示意圖；
圖3為本發明的基於球隙稜鏡輸出耦合器的單模環形振蕩集成雷射器示意圖；
圖4為本發明的基於球隙稜鏡輸出耦合器的稜鏡組合環形腔示意圖；
圖5為本發明入射光線與折射光線示意圖；
圖6為本發明球隙稜鏡輸出耦合器的耦合示意圖；
1-板條雷射介質，2-直角稜鏡，3-球隙稜鏡輸出耦合器，4-反射鏡。
具體實施方式
下面結合附圖並舉實施例，對本發明進行詳細敘述。
圖1(a)、圖1(b)以及圖1(c)分別為本發明的球隙稜鏡輸出耦合器結構示意圖。球隙稜鏡選材，最好選用高折射率光學材料，曲率半徑不做嚴格要求。其中球隙稜鏡的斜側面是直角(或其它角度)，底部的的球面為一定曲率半徑的球面，兩個扇形稜錐面相互平行，形成平行平面，這對平行平面不用於通光，用於方便操作，並且可以不拋光。
實施例一：
如圖2所示，為本發明的基於球隙稜鏡輸出耦合器的直腔結構環形雷射器示意圖，包括板條雷射介質1、球隙稜鏡輸出耦合器3以及2個直角稜鏡2；
所述直角稜鏡2以斜面分別固定於板條雷射介質1的兩端，且四個反射面由2個直角稜鏡2的四個側面構成；
所述球隙稜鏡輸出耦合器3為扇形，其中兩個扇形稜錐面相互平行，且兩個側面和底部的的球面經過拋光處理；
所述球隙稜鏡輸出耦合器3以底部的的球面固定於任一直角稜鏡2的任一側面上，其中球隙稜鏡輸出耦合器3與該側面之間的間隙可調；其中泵浦光從板條雷射介質1的側面入射，或者從球隙稜鏡輸出耦合器3與直角稜鏡2側面的耦合接觸點入射；
所述板條雷射介質1、球隙稜鏡輸出耦合器3以及2個直角稜鏡2的材料相同。
所述板條雷射介質1的材料為nd:yag，yb:yag，nd:luag等，對於yag材料，折射率分別為1.823，與空氣界面上的臨界角是33.2673度。圖2中平行於光軸的光線在端面稜鏡的入射角45度，大於臨界角，所以是全反射。3是球隙稜鏡輸出耦合器，用相同的yag材料製成，但是沒有摻雜雷射離子。由於折射率相同，光通過耦合隙之後保持方向不變。
稜鏡與板條之間的微小間隙用於雷射調諧。對於1064納米波長，需要的調諧範圍是532納米。依靠現代的工藝技術，可以滿足這樣調諧的需求。調諧好以後，進行固定，這樣就形成一個整體的集成固體雷射器。通過球隙稜鏡3與直角稜鏡2之間的間隙可調，用於控制輸出耦合效率。
這樣形成的集成雷射器，往返振蕩放大的雷射形成一對共軛的環式振蕩。同時，有兩個輸出口，可以滿足雙光束雷射輸出的應用需求。
實施例二：
如圖3所示，為本發明的基於球隙稜鏡輸出耦合器的單模環形振蕩集成雷射器示意圖，包括板條雷射介質1、球隙稜鏡輸出耦合器3、反射鏡4以及2個直角稜鏡2；
所述直角稜鏡2以斜面分別固定於板條雷射介質1的兩端，且四個反射面由2個直角稜鏡2的四個側面構成；
所述球隙稜鏡輸出耦合器3為扇形，其中兩個扇形稜錐面相互平行，且兩個側面和底部的的球面經過拋光處理；
所述球隙稜鏡輸出耦合器3以底部的的球面固定於任一直角稜鏡2的任一側面上，其中球隙稜鏡輸出耦合器3與該側面之間的間隙可調；其中泵浦光從板條雷射介質1的側面入射，或者從球隙稜鏡輸出耦合器3與直角稜鏡2側面的耦合接觸點入射；
所述反射鏡4放在球隙稜鏡輸出耦合器3的耦合出口處，將球隙稜鏡輸出耦合器3水平輸出的雷射直接反射回全反射稜鏡式環形雷射器；
所述板條雷射介質1、球隙稜鏡輸出耦合器3以及2個直角稜鏡2的材料相同。
所述板條雷射介質1的材料為nd:yag，yb:yag，nd:luag等，對於yag材料，折射率分別為1.823，與空氣界面上的臨界角是33.2673度。圖3中平行於光軸的光線在端面稜鏡的入射角45度，大於臨界角，所以是全反射。3是球隙稜鏡輸出耦合器，用相同的yag材料製成，但是沒有摻雜雷射離子。由於折射率相同，光通過耦合隙之後保持方向不變。
反射鏡4將水平輸出的雷射直接反射回集成雷射腔，導致右邊出射的雷射無法輸出，則右旋環形振蕩的模式受到抑制，最終實現了雷射器的單模單光束輸出。
實施例三：
如圖4所示，為本發明的基於球隙稜鏡輸出耦合器的稜鏡組合環形腔示意圖，包括球隙稜鏡輸出耦合器3和4個直角稜鏡2，且四個反射面由4個直角稜鏡2的四個斜面構成；
其中直角稜鏡2的擺放位置滿足：對於每個直角稜鏡2，其斜面法線方向的位置都放置有另一個直角稜鏡2，且相鄰的兩個直角稜鏡2的相鄰側面相互平行，最終形成一個全反射稜鏡式環形腔結構；
所述球隙稜鏡輸出耦合器3以底部的的球面固定於任一直角稜鏡2的斜面上，其中球隙稜鏡輸出耦合器3與該斜面之間的間隙可調；其中泵浦光從球隙稜鏡輸出耦合器3與直角稜鏡2斜面的耦合接觸點入射；
所述球隙稜鏡輸出耦合器3為扇形，其中兩個扇形稜錐面相互平行，且兩個側面和底部的的球面經過拋光處理；
所述球隙稜鏡輸出耦合器3以及4個直角稜鏡2的材料相同，為nd:yag，yb:yag，nd:luag等，對於yag材料，折射率分別為1.823，與空氣界面上的臨界角是33.2673度。由於折射率相同，光通過耦合隙之後保持方向不變。
下面對實施例一、實施例二以及實施例三進行效果的模擬。
光從高折射率材料入射進入低折射率材料，滿足snell定律
n1sinθ1＝n2sinθ2,n1＞n2
在臨界角，折射角等於90度。臨界角是
對於折射率為1.5的玻璃與空氣的界面，臨界角是41.8103。對於這個界面，入射角40度，折射角已經74.5度，如圖5所示。等於臨界角，折射角已經90度。大於臨界角折射的光不存在，光全反射。在全反射界面的外側，光場不是突然消失，而是以指數形式減弱的倏逝場。倏逝場減弱的速度由垂直於界面的波矢量分量k1決定。這時，波矢量的法向分量κ在介質n1中是：
式中k1sinθ1＝β稱為傳播常數，跨過界面時滿足連續性的條件。在間隙中的法向分量kz是
其中k2為介質n2中波矢量分量，λ0入射光的波長，由於界面發生全反射k2<β所以間隙中的法向分量kz為一複數，可表示為複數iκ。
利用snell定律n1sinθ1＝n2sinθ2在臨界角時
n1sinθc＝n2sin90°＝n2
耦合隙中波矢量的法向分量是
由於入射角大於臨界角，所以根號對負數開放方，得到的是純虛數。法向光場的波函數是
這是一種倏逝場。由於倏逝場的存在，如果在臨近全反射界面的附近，存在折射率大於或等於n1光學材料，在折射率為n1中大於臨界角入射的光，就可以通過光學材料耦合透過去繼續傳輸。透過率隨耦合間隙的厚度而改變，即隨沿光軸z的增加而減小。這就是設計內全反射雷射腔輸出耦合器的基本原理。這種原理在光纖和集成光波導技術中已經得到了廣泛使用。
由於改變輸出耦合的範圍非常小。當間隙為零時，透過100％，在半波長的地方，3db衰減的地方小於半波長。間隙允許的調節範圍非常小。在工藝上得到納米範圍的調節空間是很困難的。對於固體雷射器，通常的器件需要耦合的橫向尺度大於毫米。因此本發明設計的稜鏡與輸出界面的耦合變成球面與平面的耦合。這樣兩個平面之間的距離由面上隨機出現的多點決定，變成一個平面與球面之間的一個點的接觸，增大了可調節的距離。
在用球面稜鏡作為輸出耦合器的時候，耦合間隙的寬度是由球面的頂點與諧振腔輸出面地平面之間的距離d來決定耦合輸出的比例，d越小耦合輸出比例就越大，反之耦合輸出比例就越小。球隙稜鏡的耦合原理圖，如圖6所示。
當然，本發明還可有其他多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬於本發明所附的權利要求的保護範圍。