專利名稱：一種布儒斯特窗片的設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體激光器技術(shù)，具體地涉及一種氣體激光器中的布儒斯特窗片的設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
氣體激光器針對特種應(yīng)用以特征氣體為相應(yīng)工作介質(zhì)，通過有效的高壓氣體放電 (或激光激勵)激勵氣體產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，形成相應(yīng)激光波長的激光輻射輸出。尤其在某些特殊應(yīng)用場合中，附加偏振特性的激光輸出更具有重要的應(yīng)用價值。
作為最簡單的起偏元件，氣體激光器中腔體兩側(cè)的布儒斯特窗片起到氣體密封并產(chǎn)生激光偏振的作用，由于氣體密封腔內(nèi)部涉及高壓放電過程，從而導(dǎo)致窗片兩側(cè)不對稱溫度和壓力環(huán)境影響，布儒斯特窗片通常不鍍膜，并且是氣體激光器中最重要且最易損傷的光學(xué)元件之一。其基本設(shè)計原理是通過無規(guī)偏光在不同傳輸介質(zhì)界面?zhèn)鬏敃r所發(fā)生的布儒斯特效應(yīng)。
如圖1所示，為光線在不同折射率介質(zhì)界面發(fā)生反射折射的情況示意。圖1中光線由Ii1介質(zhì)向n2介質(zhì)傳輸，光線入射角為Q1，反射光線同樣以Q1角度反射，進(jìn)入巧介質(zhì)界面后發(fā)生偏折，折射角為θ 2，光線在介質(zhì)界面發(fā)生光線偏折的情況遵循菲涅爾定律，即 H1Sinei =η28 ηθ20在滿足θ1+θ2 = 90°的情況下，發(fā)生所謂布儒斯特效應(yīng)，形成具有一定偏振特性的折射光線輸出，布儒斯特角為產(chǎn)生布儒斯特效應(yīng)時的相應(yīng)入射角(亦為穿過具有一定厚度光學(xué)材料后的出射角)。
布儒斯特窗片的作用是在氣體激光器中充當(dāng)氣體放電腔體的密封，同時根據(jù)布儒斯特效應(yīng)產(chǎn)生具有一定偏振特性的激光輸出。由于放電腔體涉及高壓放電過程，溫度、壓力變化劇烈，所以在布儒斯特窗片兩側(cè)存在較大的溫度、壓力差異，布儒斯特窗片通常不鍍膜，且容易因為光學(xué)材質(zhì)、加工水平、吸收損耗以及應(yīng)力釋放等多方面的原因?qū)е麓捌瑩p傷，甚至破碎，所以如何較好的解決布儒斯特窗片的損傷問題，提高元件使用壽命，是實現(xiàn)氣體激光器良好運轉(zhuǎn)的前提和基礎(chǔ)。
布儒斯特窗片法線與傳輸光線方向所成夾角由界面光線傳輸?shù)姆颇鶢柖伤鶝Q定。由菲涅爾定律nlSin θ工=n2sin θ 2(ni、n2為入射激光波長作用下界面兩側(cè)介質(zhì)折射率，Q1為入射角，92為折射角)，布儒斯特效應(yīng)Θι+Θ2 = 90°，從而由菲涅爾定律Q1 =arctgOi ο
在某些氣體激光技術(shù)應(yīng)用中，布儒斯特窗片和和激光諧振腔腔鏡襯底材質(zhì)均為立方晶系的CaF2材料，<111>晶軸生長方向為其傳統(tǒng)晶體生長方向，晶體切割方向通常沿垂直 <111>軸的平面，沿晶軸生長方向的光傳輸損耗最小，具體情況如圖加所示。由于布儒斯特窗片起偏角度限制，通常窗片法線方向與激光傳輸方向成相應(yīng)布儒斯特角度，而諧振腔鏡片通常為0°入射，所以相較于布儒斯特窗片應(yīng)用以及諧振腔鏡片應(yīng)用，由于在CaF2晶體中傳輸方向的差異，對于激光在CaF2材質(zhì)中的傳輸和損傷情況存在著很大的不同。具體氣體激光器結(jié)構(gòu)情況如圖2b所示。
為簡單起見并增加可比性，以CaF2襯底材質(zhì)的布儒斯特窗片和未鍍膜的諧振腔輸出鏡片為例說明。如圖2c、圖2d所示，傳統(tǒng)布儒斯特窗片晶軸生長方向與晶體切割方向相互垂直，即窗片的光學(xué)法線方向，同時與激光傳輸方向成相應(yīng)布儒斯特角度(針對特定激光波長傳輸)；而未鍍膜的諧振腔輸出鏡片(0°入射)晶軸生長方向與窗片切割方向相互垂直，但與激光傳輸方向相互平行，所以針對同種襯底材料，由于實際應(yīng)用的不同所導(dǎo)致的晶軸生長方向與激光傳輸方向的差異必然導(dǎo)致激光在晶體(窗片或鏡片)中傳輸過程中所導(dǎo)致的吸收和損傷效應(yīng)的區(qū)別，從而將在一定程度上加速布儒斯特窗片的磨損，降低光學(xué)元件使用壽命，進(jìn)而影響出光質(zhì)量和系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種布儒斯特窗片的設(shè)計方法，以改善布儒斯特窗片中激光傳輸?shù)奈蘸蛽p傷情況，提高光學(xué)元件使用壽命，增強(qiáng)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的布儒斯特窗片的設(shè)計方法，是在布儒斯特窗片的襯底晶體制備過程中，使襯底晶軸生長方向與激光傳輸方向相一致，襯底晶體切割面法線方向與襯底晶軸生長方向成相應(yīng)的布儒斯特角度。
如圖2b所示，激光傳輸方向為水平方向，諧振腔窗片起到密封氣體和起偏的作用，根據(jù)實際運轉(zhuǎn)激光波長、諧振窗片晶體折射率(實際運轉(zhuǎn)激光波長條件下)，按照界面光線傳輸?shù)姆颇鶢柖珊筒既缢固匦?yīng)(如前所述)共同確定窗片法線方向與激光傳輸方向的布如斯特角度，從而實現(xiàn)布氏窗片的角度設(shè)計。
本發(fā)明提供的布儒斯特窗片設(shè)計方法，有效的改善了以往激光傳輸吸收和損耗加劇的問題，提高了儒斯特窗片使用壽命，為整體系統(tǒng)的穩(wěn)定長效提供保障。


圖1為光線界面?zhèn)鬏敺颇鶢柖墒疽鈭D。
圖加為立方晶系的晶體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2b為氣體激光器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2c為傳統(tǒng)布儒斯特窗片示意圖。
圖2d為未鍍膜諧振腔輸出鏡示意圖。
圖3為本發(fā)明設(shè)計的布儒斯特窗片示意圖。
具體實施方式
針對傳統(tǒng)布儒斯特窗片光學(xué)元件的設(shè)計和應(yīng)用方式，本發(fā)明提供了布儒斯特窗片的設(shè)計方法。本發(fā)明的設(shè)計方法如圖3所示，使晶軸生長方向與激光傳輸方向相一致，而晶體切割面法線方向與晶軸生長方向成相應(yīng)的布儒斯特角度，這樣將在一定程度上改善布儒斯特窗片中激光傳輸?shù)奈蘸蛽p傷情況，提高光學(xué)元件使用壽命，增強(qiáng)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。
本發(fā)明通過調(diào)整布儒斯特窗片襯底材料的晶軸生長方向、晶體切割方向以及激光傳輸方向三者相互之間的關(guān)系，改變以往激光傳輸方向與晶軸生長方向之間布儒斯特角度的偏差，使激光沿吸收損耗最小的晶軸生長方向傳輸，最大程度的降低激光在晶體材料中的傳輸吸收和損傷問題，提高光學(xué)元件的使用壽命，增強(qiáng)氣體激光器的整體運轉(zhuǎn)效能。4
為更進(jìn)一說明本發(fā)明的技術(shù)方案，以下舉當(dāng)前氣體激光技術(shù)中常用的CaF2材料的布儒斯特窗片的設(shè)計為例。用于制作布儒斯特窗片的其他襯底晶體材料設(shè)計也可借鑒類似的方法。
如圖1所示，為光線在不同折射率介質(zhì)界面發(fā)生反射折射的情況示意。圖1中光線由Ii1介質(zhì)向n2介質(zhì)傳輸，光線入射角為Q1，反射光線同樣以Q1角度反射，進(jìn)入巧介質(zhì)界面后發(fā)生偏折，折射角為θ 2，光線在介質(zhì)界面發(fā)生光線偏折的情況遵循菲涅爾定律，即 H1Sinei =η28 ηθ20在滿足θ1+θ2 = 90°的情況下，發(fā)生所謂布儒斯特效應(yīng)，形成具有一定偏振特性的折射光線輸出，布儒斯特角為產(chǎn)生布儒斯特效應(yīng)時的相應(yīng)入射角(亦為穿過具有一定厚度光學(xué)材料后的出射角)。
布儒斯特窗片的作用是在氣體激光器中充當(dāng)氣體放電腔體的密封，同時根據(jù)布儒斯特效應(yīng)產(chǎn)生具有一定偏振特性的激光輸出。由于放電腔體涉及高壓放電過程，溫度、壓力變化劇烈，所以在布儒斯特窗片兩側(cè)存在較大的溫度、壓力差異，布儒斯特窗片通常不鍍膜，且容易因為光學(xué)材質(zhì)、加工水平、吸收損耗以及應(yīng)力釋放等多方面的原因?qū)е麓捌瑩p傷，甚至破碎，所以如何較好的解決布儒斯特窗片的損傷問題，提高元件使用壽命，是實現(xiàn)氣體激光器良好運轉(zhuǎn)的前提和基礎(chǔ)。
以下通過氣體激光技術(shù)中常用的CaF2M質(zhì)光學(xué)元件為例說明相關(guān)設(shè)計情況。如圖 2a所示，CaF2材料為立方晶系結(jié)構(gòu)，晶軸生長方向多選擇為<111>軸，即沿立方晶體體對角線方向，在相應(yīng)三維坐標(biāo)基準(zhǔn)面投影相同的點所構(gòu)成的方向，沿晶軸生長方向傳輸損耗最?。痪w切割方向通常采用與<111>軸相垂直的平面，亦可根據(jù)實際需要選擇切割方向。
圖2b為氣體激光器結(jié)構(gòu)示意圖，氣體激光器主要由氣體放電腔1、布儒斯特窗2、 高反射鏡3、輸出鏡4構(gòu)成。布儒斯特窗片根據(jù)實際運轉(zhuǎn)波長和介質(zhì)折射率情況特征擺放， 保證激光輸出方向與布儒斯特窗片法線方向形成布儒斯特角，從而形成具有一定偏振特性的折射光線輸出；高反射鏡和輸出鏡法線與激光傳輸方向平行，即0°角，二者構(gòu)成激光諧振腔，針對高壓放電(或激光激勵)條件下的氣體介質(zhì)反轉(zhuǎn)躍遷所形成的能量激射進(jìn)行諧振放大，最終產(chǎn)生激光輸出。
圖2c所示為氣體激光器中布儒斯特窗片的激光傳輸方向、晶軸生長方向和晶體切割方向的相互關(guān)系。由圖中就可以看出，布儒斯特窗片的晶軸生長方向與窗片法線相互平行，與晶體切割方向相互垂直，同時與激光傳輸方向成布儒斯特角；圖2d所示為氣體激光器中輸出鏡(可選擇未鍍膜輸出鏡-與布儒斯特窗片相統(tǒng)一)的激光傳輸方向、晶軸生長方向和晶體切割方向的相互關(guān)系。由圖中可以就看出，輸出鏡的晶軸生長方向與輸出鏡法線相互平行，與晶體切割方向相互垂直，同時與激光傳輸方向亦相互平行。顯然在這樣的情況下，與輸出鏡相比布儒斯特窗片將產(chǎn)生更大的激光傳輸損耗，同時考慮布儒斯特窗片的特殊使用環(huán)境(溫度、壓力等影響)，這對于布儒斯特窗片使用壽命將產(chǎn)生極大的影響， 進(jìn)而降低整體氣體激光器系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)效能。
本發(fā)明的布儒斯特窗片的設(shè)計方法如圖3所示，使布儒斯特窗片的晶軸生長方向與激光傳輸方向相互平行，晶體切割方向與布儒斯特窗片法線相互垂直，這樣將在一定程度上保障激光在通過布儒斯特窗片過程中的低損耗傳輸，降低損傷，延長使用壽命，提高系統(tǒng)的工作效能。
權(quán)利要求
1.一種布儒斯特窗片的設(shè)計方法，是在布儒斯特窗片的襯底晶體制備過程中，使襯底晶軸生長方向與激光傳輸方向相一致，襯底晶體切割面法線方向與襯底晶軸生長方向成相應(yīng)的布儒斯特角度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計方法，其中，所述襯底晶體為氟化鈣晶體。
全文摘要
一種布儒斯特窗片的設(shè)計方法，是在布儒斯特窗片的襯底晶體制備過程中，使襯底晶軸生長方向與激光傳輸方向相一致，晶體切割面法線方向與晶軸生長方向成相應(yīng)的布儒斯特角度。本發(fā)明提供的布儒斯特窗片設(shè)計方法，在保證激光起偏的前提下，有效的改善了以往激光傳輸吸收和損耗加劇的問題，提高了布儒斯特窗片使用壽命，為整體系統(tǒng)的穩(wěn)定長效運轉(zhuǎn)提供保障。
文檔編號H01S3/034GK102522680SQ20111043681
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月23日
發(fā)明者周翊, 宋興亮, 李慧, 沙鵬飛, 王宇, 趙江山 申請人:中國科學(xué)院光電研究院