基于等腰直角三角棱镜的激光线宽压窄扩束方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种激光线宽压窄扩束方法和系统，系统包括光束扩束装置和光栅，光束扩束装置用于对激光进行一维扩束，光栅用于对激光进行中心波长的选择，从而实现线宽压窄。光束扩束装置由单个棱镜或棱镜组构成，所述单个棱镜和组成棱镜组的棱镜均为等腰直角三棱镜。本发明专利技术具有结构简单、加工精度高、对光束传输波前影响小的优点，通过对棱镜入射角度和棱镜组元件数目的选择实现不同的激光光束扩束倍率，获得所需窄谱带激光线宽。

【技术实现步骤摘要】
基于等腰直角三角棱镜的激光线宽压窄扩束方法和系统
本专利技术属于激光
，具体涉及一种基于等腰直角三角棱镜的激光线宽压窄扩束方法和系统。
技术介绍
在特定波长处的窄带宽激光输出具有很大的应用。为了满足具有光谱控制要求和窄带激光输出的应用需求，需要通过特殊的线宽压窄光谱控制措施来对激光器自由振荡产生的自然光谱进行压窄，同时进行高精度的波长选择。棱镜组扩束结合光栅分光的光谱控制方法是目前使用较广的线宽压窄结构。棱镜扩束组以棱镜色散特性为基础对光束尺寸进行一维展宽。棱镜组具有光学元件加工方便、结构简单、光路校准简单等优点，同时同球面镜、柱面镜、反射镜等扩束元件相比，棱镜组结构受元件间的间隔变化影响较小。经棱镜组扩束后的光束传输至光栅进行高精度分光，利用高分辨率光栅的色散分光特性结合光路控制形成针对入射激光光谱的波长选择及带宽压窄。棱镜组是激光线宽压窄模块中用于扩束的最常使用的方法，扩束棱镜组作为线宽压窄模块的关键部件，是获得窄带激光线宽的重要元件。棱镜组起到对入射至光栅之前的光束进行一维展宽作用，同时棱镜的色散特性对入射的光谱也具有一定的发散功能，从而为后续光栅进行分光提供前提准备。线宽压窄带宽表达式为：式中，Δθ为激光光束发散角，N为单脉冲激光在谐振腔内的往返振荡次数，K为扩束棱镜组的光束展宽倍数(多棱镜时放大倍率为N为棱镜组元件数量)，为棱镜组的角色散，为Littrow模式光栅元件的角色散。由公式可知，棱镜组的扩束倍率K以及角色散是影响最终激光谱宽窄化的关键元件。线宽压窄模块中的扩束棱镜通常采用经优化设计后的具有特定顶角的直角棱镜，通过棱镜组合方式的选择，最大限度的消除棱镜组色散影响。该种设计通过对棱镜入射角度的控制实现对激光线宽精确控制，复现性突出。此种设计光束按照特定的入射角入射即可得到既定的扩束放大倍率，进而经光栅精密分光选择获得所需线宽值。因此该种设计通常要求棱镜顶角具有很高的加工精度、在使用中需精确控制入射角，方可保证入射光线按照既定设计的光路传输。图1是三棱镜传输光束的原理示意图。如图所示，三棱镜的一条边与地面平行，在此称为底边，另两条边为侧边。光束从一条侧边入射后从另一条侧边出射。该三棱镜的与底边相对的角为顶角为α，三棱镜折射率为n，一束具有宽度D1的光束以一定入射角θi经由三棱镜的一条侧边入射到三棱镜，该光束在棱镜入射表面发生偏折，偏折角为光束在介质界面发生偏折时遵循菲涅尔公式，有接着，当该光束从棱镜的另一条侧边返回至空气介质中，根据菲涅尔公式同样有式中为光束在棱镜出射面的入射角，θe为光束在出射面的出射角。光束经过单棱镜后的放大倍率K主要由棱镜入射表面和出射表面对光束的共同作用所得，即单棱镜放大倍率K＝K′×K″，K′为光束从空气入射到棱镜时在入射表面发生光线偏折所产生的放大倍率，K″为光束从棱镜出射到空气时在出射表面发生光线偏折所产生的放大倍率，当棱镜材料折射率n大于周围介质折射率时，根据角度公式可知K″≤1。出射后的光束宽度为D3，此时光束经过棱镜后的扩束倍率可表达为：即具有一定宽度的光束经过棱镜后光束宽度将增加为原宽度的K倍，该光束发生一维展宽现象。图2为具有特殊顶角的直角三棱镜的扩束原理示意图。如图所示，当三棱镜为直角三棱镜时，使该直角三棱镜的较短的直角边作为底边，光束从斜边入射后从较长的直角边出射。同样，当该三棱镜材料的折射率n大于周围介质折射率、且入射角θi为定值时，根据公式可知，当光束垂直于棱镜的直角边出射时，(此时D3＝D2，K″＝1)，棱镜出射面未对光束产生缩束作用，棱镜的放大倍率仅由棱镜入射面的扩束贡献所得，此时可获得在该入射角时的最大棱镜放大倍率。在该种条件下，根据菲涅尔公式可确定满足垂直出射条件时的顶角α值。在该种条件下，具有特殊顶角的直角三棱镜通常面向特定入射角使用，此时可实现光束垂直于三棱镜出射以获得最大扩束倍率。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术所要解决的技术问题是传统的用于线宽压窄扩束的直角三棱镜通常需要对特殊设计的顶角进行高精度加工，棱镜加工周期长、加工成本高，同时在使用过程中对棱镜定位精度和单棱镜入射角度的要求严格的问题。(二)技术方案针对该问题，本专利技术提出一种激光线宽压窄扩束方法和系统，该方法采用等腰直角棱镜代替常规具有特殊顶角的直角棱镜作为扩束元件，利用若干个等腰直角三棱镜的组合获得有效的光束放大倍率，结合高分辨率衍射光栅的精密分光作用，实现有效的光谱压窄功能。所述激光线宽压窄扩束系统包括光束扩束装置和光栅，光束扩束装置用于对激光进行扩束，光栅用于对激光进行中心波长的选择，从而实现线宽压窄，所述光束扩束装置由单个棱镜或棱镜组构成，所述单个棱镜和组成棱镜组的棱镜均为等腰直角三棱镜。根据本明的一种具体实施方式，所述光束扩束装置由棱镜组构成，棱镜组由依次级联的多个等腰直角三棱镜构成，且激光光束依次通过所述级联的多个等腰直角三棱镜以进行扩束。根据本明的一种具体实施方式，所述激光光束从所述棱镜组的每个棱镜的斜边所在面入射后，从其一个直角边出射。根据本明的一种具体实施方式，所述棱镜组由N个级联的棱镜组成，N为自然数且大于或等于2，其组合方式为：沿光束入射方向的前M个棱镜的顶角朝向一致，且该M个棱镜按照相同的光束偏折方向依次摆放，其中M为自然数且小于或等于N-1；沿光束入射方向的后N-M个棱镜的顶角朝向与前M个棱镜相反，且该N-M个棱镜按照与前M个棱镜相反的光束偏折方向依次摆放。根据本明的一种具体实施方式，组成所述棱镜组的所有三棱镜的顶角均朝向一致，光束经过所有三棱镜的偏折方向一致。(三)有益效果本专利技术采用等腰直角棱镜作为激光线宽压窄扩束系统的扩束元件，与常规具有特定顶角的直角棱镜元件相比，在可以满足同等扩束应用的同时，等腰直角棱镜具有结构简单、易于获得更高的加工精度、加工成本和周期相对较低的优点。同时，对于线宽压窄系统扩束棱镜常用的晶体材料而言，立方晶体沿45°对角切割方式，大大降低加工过程中晶体材料的内部缺陷损伤，一定程度上降低了材料对光束传播波前的影响。本专利技术通过对组成扩束装置的等腰直角棱镜数量的选择、元件间的摆放方式以及入射角的控制来实现不同窄化带宽所需的放大倍率和色散要求，为后续特定光栅元件的精密分光提供前提和保障。附图说明图1为三棱镜传输光束的原理示意图；图2为具有特殊顶角的直角三棱镜的扩束原理示意图；图3为本专利技术中所采用的等腰直角三棱镜的扩束原理示意图；图4为本专利技术的基于等腰直角三角棱镜的激光线宽压窄扩束系统的一个实施例的示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术旨在针对激光线宽压窄中的应用需求，提出采用等腰直角三棱镜构建线宽压窄扩束系统。通过对等腰直角三棱镜的入射角度、棱镜组中的棱镜数量、组合方式等因素的综合选择，实现满足具有特定放大倍率要求、以及高光束透过率的光谱一维展宽功能。图3为本专利技术中所采用的等腰直角三棱镜的扩束原理示意本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光线宽压窄扩束方法，用于对激光进行线宽压窄和扩束，其特征在于：使用单个棱镜或棱镜组对激光进行扩束，所述单个棱镜和组成棱镜组的棱镜均为等腰直角三棱镜。

【技术特征摘要】
1.一种激光线宽压窄扩束方法，用于对激光进行线宽压窄和扩束，其特征在于：使用棱镜组对激光进行扩束，该棱镜组由依次级联的多个等腰直角三棱镜构成，且激光光束依次通过所述级联的多个等腰直角三棱镜以进行扩束。2.如权利要求1所述的激光线宽压窄扩束方法，其特征在于，所述棱镜组由N个级联的棱镜组成，N为自然数且大于或等于2，其组合方式为：沿光束入射方向的前M个棱镜的顶角朝向一致，且该M个棱镜按照相同的光束偏折方向依次摆放，其中M为自然数且小于或等于N-1；沿光束入射方向的后N-M个棱镜的顶角朝向与前M个棱镜相反，且该N-M个棱镜按照与前M个棱镜相反的光束偏折方向依次摆放。3.如权利要求1所述的激光线宽压窄扩束方法，其特征在于，组成所述棱镜组的所有三棱镜的顶角均朝向一致，光束经过所有三棱镜的偏折方向一致。4.一种激光线宽压窄扩束系统，包括光束扩束装置和光栅，所述光束扩束装置用于对激光进行扩束，所述光栅用于对激光进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：李慧，赵江山，单耀莹，沙鹏飞，宋兴亮，蔡茜玮，彭卓君，范元媛，张立佳，鲍洋，周翊，王宇，
申请(专利权)人：中国科学院光电研究院，
类型：发明
国别省市：