本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種全反射棱鏡式環(huán)形激光器。

背景技術(shù)：

目前，對于常用的反射鏡式環(huán)形激光器通常采用有一定透過率的反射鏡作為環(huán)形腔激光器的輸出腔鏡，以獲得激光輸出。但對于全反射棱鏡式環(huán)形激光器中的激光輸出卻遇到了問題。

通常，反射鏡式環(huán)形激光器采用具有一定透過率的反射鏡作為激光器的輸出腔鏡時，要想得到最佳的輸出功率和最佳的激光轉(zhuǎn)換效率，對輸出耦合鏡有不同的要求。為了得到最佳的激光輸出，須要對輸出耦合鏡的透過率進(jìn)行優(yōu)化。輸出耦合鏡的輸出比例是通過多層介質(zhì)反射膜來實現(xiàn)的，不論是輸出波長還是透過率，都是不能調(diào)節(jié)的，一旦選用則激光器透射波長和透過率就是固定的，并且這種耦合輸出鏡通常是垂直于輸出光軸。在強(qiáng)激光中，腔鏡介質(zhì)膜的耐激光損傷能力也比較差，也就是損傷閾值比較低。而且多層介質(zhì)膜每層的光學(xué)厚度須為波長的四分之一，并且為了避免雜質(zhì)的吸收和散射損耗，鍍膜材料的純度要求也很高，這使得優(yōu)質(zhì)鍍膜的成本很高。

對于全反射棱鏡式環(huán)形激光器可以利用棱鏡構(gòu)成具有一定“楔形”間隙的棱鏡耦合輸出器，以獲得激光輸出?！靶ㄐ巍遍g隙棱鏡輸出耦合器，就是將一塊耦合棱鏡靠近輸出全反射棱鏡放置，使兩塊棱鏡的工作面間具有波長量級的“楔形”間隙，利用兩塊棱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，這種耦合方法類似于平板波導(dǎo)中的棱鏡耦合。缺點是：由于兩棱鏡面之間接觸面為一線面屬于多點接觸，由于加工精度原因，不可能做到完全接觸，在實際應(yīng)用操作過程中難以實現(xiàn)和控制“楔形”間隙角度且耦合輸出效率低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明提供一種全反射棱鏡式環(huán)形激光器，其中采用了球隙棱鏡輸出耦合器，球隙棱鏡耦合器利用球底棱鏡與輸出全反射棱鏡工作面間波長量級的球底間隙，可獲得全反射棱鏡式環(huán)形激光器諧振腔的激光輸出，解決全反射棱鏡式環(huán)形激光器的激光輸出問題。

一種全反射棱鏡式環(huán)形激光器，包括球隙棱鏡輸出耦合器3以及四個反射面；

所述球隙棱鏡輸出耦合器3為扇形結(jié)構(gòu)，底部為球面，且與球面相接的兩個斜側(cè)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激光振蕩的全反射環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，同時球隙棱鏡輸出耦合器3以底部的球面固定在任意一個反射面的外側(cè)上，且底部的球面與該反射面之間的間隙為波長量級，同時球隙棱鏡輸出耦合器3底部的球面為激光耦合輸出面。

進(jìn)一步地，一種全反射棱鏡式環(huán)形激光器，還包括板條激光介質(zhì)1，所述四個反射面由2個直角棱鏡2的四個側(cè)面構(gòu)成；

所述直角棱鏡2以斜面分別固定于板條激光介質(zhì)1的兩端；

所述球隙棱鏡輸出耦合器3以底部的球面固定于任一直角棱鏡2的任一側(cè)面上；

所述板條激光介質(zhì)1、球隙棱鏡輸出耦合器3以及2個直角棱鏡2的材料相同。

進(jìn)一步地，一種全反射棱鏡式環(huán)形激光器，還包括板條激光介質(zhì)1和反射鏡4，所述四個反射面由2個直角棱鏡2的四個側(cè)面構(gòu)成；

所述直角棱鏡2以斜面分別固定于板條激光介質(zhì)1的兩端；

所述球隙棱鏡輸出耦合器3以底部的球面固定于任一直角棱鏡2的任一側(cè)面上；

所述反射鏡4放在球隙棱鏡輸出耦合器3的耦合出口處，將球隙棱鏡輸出耦合器3水平輸出的激光原路反射回全反射棱鏡式環(huán)形激光器；

所述板條激光介質(zhì)1、球隙棱鏡輸出耦合器3以及2個直角棱鏡2的材料相同。

進(jìn)一步地，一種全反射棱鏡式環(huán)形激光器，所述四個反射面由4個直角棱鏡2的四個斜面構(gòu)成；

其中直角棱鏡2的擺放位置滿足：對于每個直角棱鏡2，其斜面法線方向的位置都放置有另一個直角棱鏡2，且相鄰的兩個直角棱鏡2的相鄰側(cè)面相互平行，最終形成一個全反射棱鏡式環(huán)形腔結(jié)構(gòu)；

所述球隙棱鏡輸出耦合器3以底部的球面固定于任一直角棱鏡2的斜面上；

所述球隙棱鏡輸出耦合器3以及4個直角棱鏡2的材料相同。

進(jìn)一步地，所述球隙棱鏡輸出耦合器3的兩個斜側(cè)面和底部的球面經(jīng)過拋光處理。

進(jìn)一步地，所述板條激光介質(zhì)1的材料為nd:yag，折射率為1.823。

進(jìn)一步地，所述板條激光介質(zhì)1的材料為yb:yag，折射率為1.823。

進(jìn)一步地，所述板條激光介質(zhì)1的材料為nd:luag。

有益效果：

1)本發(fā)明球隙棱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(xiàn)有技術(shù)中兩個平面之間的距離由面上隨機(jī)出現(xiàn)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(diào)節(jié)的距離，球隙棱鏡輸出耦合器通過改變底部的球面的頂點與環(huán)形激光器諧振腔輸出平面之間的距離，可調(diào)諧激光耦合輸出比例或透過率，有利于提高激光耦合透過率；

2)本發(fā)明的球隙棱鏡輸出耦合器利用底部的球面與輸出全反射棱鏡工作面間波長量級的球底間隙，可獲得全反射棱鏡式環(huán)形激光器諧振腔的激光輸出，解決全反射棱鏡式環(huán)形激光器的激光輸出問題；

3)本發(fā)明的球隙棱鏡輸出耦合器無需鍍膜，不存在腔鏡介質(zhì)膜耐激光損傷能力比較差的問題，同時有利于降低成本，適應(yīng)激光輸出波段寬。

附圖說明

圖1(a)為本發(fā)明頂角為直角的球隙棱鏡輸出耦合器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖1(b)為本發(fā)明頂角為平角的球隙棱鏡輸出耦合器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖1(c)為本發(fā)明頂角為平角的球隙棱鏡輸出耦合器三維結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的基于球隙棱鏡輸出耦合器的直腔結(jié)構(gòu)環(huán)形激光器示意圖；

圖3為本發(fā)明的基于球隙棱鏡輸出耦合器的單模環(huán)形振蕩集成激光器示意圖；

圖4為本發(fā)明的基于球隙棱鏡輸出耦合器的棱鏡組合環(huán)形腔示意圖；

圖5為本發(fā)明入射光線與折射光線示意圖；

圖6為本發(fā)明球隙棱鏡輸出耦合器的耦合示意圖；

1-板條激光介質(zhì)，2-直角棱鏡，3-球隙棱鏡輸出耦合器，4-反射鏡。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)敘述。

圖1(a)、圖1(b)以及圖1(c)分別為本發(fā)明的球隙棱鏡輸出耦合器結(jié)構(gòu)示意圖。球隙棱鏡選材，最好選用高折射率光學(xué)材料，曲率半徑不做嚴(yán)格要求。其中球隙棱鏡的斜側(cè)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，兩個扇形棱錐面相互平行，形成平行平面，這對平行平面不用于通光，用于方便操作，并且可以不拋光。

實施例一：

如圖2所示，為本發(fā)明的基于球隙棱鏡輸出耦合器的直腔結(jié)構(gòu)環(huán)形激光器示意圖，包括板條激光介質(zhì)1、球隙棱鏡輸出耦合器3以及2個直角棱鏡2；

所述直角棱鏡2以斜面分別固定于板條激光介質(zhì)1的兩端，且四個反射面由2個直角棱鏡2的四個側(cè)面構(gòu)成；

所述球隙棱鏡輸出耦合器3為扇形，其中兩個扇形棱錐面相互平行，且兩個側(cè)面和底部的的球面經(jīng)過拋光處理；

所述球隙棱鏡輸出耦合器3以底部的的球面固定于任一直角棱鏡2的任一側(cè)面上，其中球隙棱鏡輸出耦合器3與該側(cè)面之間的間隙可調(diào)；其中泵浦光從板條激光介質(zhì)1的側(cè)面入射，或者從球隙棱鏡輸出耦合器3與直角棱鏡2側(cè)面的耦合接觸點入射；

所述板條激光介質(zhì)1、球隙棱鏡輸出耦合器3以及2個直角棱鏡2的材料相同。

所述板條激光介質(zhì)1的材料為nd:yag，yb:yag，nd:luag等，對于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中平行于光軸的光線在端面棱鏡的入射角45度，大于臨界角，所以是全反射。3是球隙棱鏡輸出耦合器，用相同的yag材料制成，但是沒有摻雜激光離子。由于折射率相同，光通過耦合隙之后保持方向不變。

棱鏡與板條之間的微小間隙用于激光調(diào)諧。對于1064納米波長，需要的調(diào)諧范圍是532納米。依靠現(xiàn)代的工藝技術(shù)，可以滿足這樣調(diào)諧的需求。調(diào)諧好以后，進(jìn)行固定，這樣就形成一個整體的集成固體激光器。通過球隙棱鏡3與直角棱鏡2之間的間隙可調(diào)，用于控制輸出耦合效率。

這樣形成的集成激光器，往返振蕩放大的激光形成一對共軛的環(huán)式振蕩。同時，有兩個輸出口，可以滿足雙光束激光輸出的應(yīng)用需求。

實施例二：

如圖3所示，為本發(fā)明的基于球隙棱鏡輸出耦合器的單模環(huán)形振蕩集成激光器示意圖，包括板條激光介質(zhì)1、球隙棱鏡輸出耦合器3、反射鏡4以及2個直角棱鏡2；

所述直角棱鏡2以斜面分別固定于板條激光介質(zhì)1的兩端，且四個反射面由2個直角棱鏡2的四個側(cè)面構(gòu)成；

所述球隙棱鏡輸出耦合器3為扇形，其中兩個扇形棱錐面相互平行，且兩個側(cè)面和底部的的球面經(jīng)過拋光處理；

所述球隙棱鏡輸出耦合器3以底部的的球面固定于任一直角棱鏡2的任一側(cè)面上，其中球隙棱鏡輸出耦合器3與該側(cè)面之間的間隙可調(diào)；其中泵浦光從板條激光介質(zhì)1的側(cè)面入射，或者從球隙棱鏡輸出耦合器3與直角棱鏡2側(cè)面的耦合接觸點入射；

所述反射鏡4放在球隙棱鏡輸出耦合器3的耦合出口處，將球隙棱鏡輸出耦合器3水平輸出的激光直接反射回全反射棱鏡式環(huán)形激光器；

所述板條激光介質(zhì)1、球隙棱鏡輸出耦合器3以及2個直角棱鏡2的材料相同。

所述板條激光介質(zhì)1的材料為nd:yag，yb:yag，nd:luag等，對于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中平行于光軸的光線在端面棱鏡的入射角45度，大于臨界角，所以是全反射。3是球隙棱鏡輸出耦合器，用相同的yag材料制成，但是沒有摻雜激光離子。由于折射率相同，光通過耦合隙之后保持方向不變。

反射鏡4將水平輸出的激光直接反射回集成激光腔，導(dǎo)致右邊出射的激光無法輸出，則右旋環(huán)形振蕩的模式受到抑制，最終實現(xiàn)了激光器的單模單光束輸出。

實施例三：

如圖4所示，為本發(fā)明的基于球隙棱鏡輸出耦合器的棱鏡組合環(huán)形腔示意圖，包括球隙棱鏡輸出耦合器3和4個直角棱鏡2，且四個反射面由4個直角棱鏡2的四個斜面構(gòu)成；

其中直角棱鏡2的擺放位置滿足：對于每個直角棱鏡2，其斜面法線方向的位置都放置有另一個直角棱鏡2，且相鄰的兩個直角棱鏡2的相鄰側(cè)面相互平行，最終形成一個全反射棱鏡式環(huán)形腔結(jié)構(gòu)；

所述球隙棱鏡輸出耦合器3以底部的的球面固定于任一直角棱鏡2的斜面上，其中球隙棱鏡輸出耦合器3與該斜面之間的間隙可調(diào)；其中泵浦光從球隙棱鏡輸出耦合器3與直角棱鏡2斜面的耦合接觸點入射；

所述球隙棱鏡輸出耦合器3為扇形，其中兩個扇形棱錐面相互平行，且兩個側(cè)面和底部的的球面經(jīng)過拋光處理；

所述球隙棱鏡輸出耦合器3以及4個直角棱鏡2的材料相同，為nd:yag，yb:yag，nd:luag等，對于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。由于折射率相同，光通過耦合隙之后保持方向不變。

下面對實施例一、實施例二以及實施例三進(jìn)行效果的模擬。

光從高折射率材料入射進(jìn)入低折射率材料，滿足snell定律

n1sinθ1＝n2sinθ2,n1＞n2

在臨界角，折射角等于90度。臨界角是

對于折射率為1.5的玻璃與空氣的界面，臨界角是41.8103。對于這個界面，入射角40度，折射角已經(jīng)74.5度，如圖5所示。等于臨界角，折射角已經(jīng)90度。大于臨界角折射的光不存在，光全反射。在全反射界面的外側(cè)，光場不是突然消失，而是以指數(shù)形式減弱的倏逝場。倏逝場減弱的速度由垂直于界面的波矢量分量k1決定。這時，波矢量的法向分量κ在介質(zhì)n1中是：

式中k1sinθ1＝β稱為傳播常數(shù)，跨過界面時滿足連續(xù)性的條件。在間隙中的法向分量kz是

其中k2為介質(zhì)n2中波矢量分量，λ0入射光的波長，由于界面發(fā)生全反射k2<β所以間隙中的法向分量kz為一復(fù)數(shù)，可表示為復(fù)數(shù)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

由于入射角大于臨界角，所以根號對負(fù)數(shù)開放方，得到的是純虛數(shù)。法向光場的波函數(shù)是

這是一種倏逝場。由于倏逝場的存在，如果在臨近全反射界面的附近，存在折射率大于或等于n1光學(xué)材料，在折射率為n1中大于臨界角入射的光，就可以通過光學(xué)材料耦合透過去繼續(xù)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(shè)計內(nèi)全反射激光腔輸出耦合器的基本原理。這種原理在光纖和集成光波導(dǎo)技術(shù)中已經(jīng)得到了廣泛使用。

由于改變輸出耦合的范圍非常小。當(dāng)間隙為零時，透過100％，在半波長的地方，3db衰減的地方小于半波長。間隙允許的調(diào)節(jié)范圍非常小。在工藝上得到納米范圍的調(diào)節(jié)空間是很困難的。對于固體激光器，通常的器件需要耦合的橫向尺度大于毫米。因此本發(fā)明設(shè)計的棱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(jī)出現(xiàn)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(diào)節(jié)的距離。

在用球面棱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。球隙棱鏡的耦合原理圖，如圖6所示。

當(dāng)然，本發(fā)明還可有其他多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。