[發明專利]基于等腰直角三角棱鏡的激光線寬壓窄擴束方法和系統

有效

• 申請號: 201210553807.9
• 申請日: 2012-12-19
• 公開（公告）號: CN102981278B
• 公開（公告）日: 2016-11-23
• 發明（設計）人: 李慧;趙江山;單耀瑩;沙鵬飛;宋興亮;蔡茜瑋;彭卓君;范元媛;張立佳;鮑洋;周翊;王宇
• 申請（專利權）人: 北京科益虹源光電技術有限公司
• 主分類號: G02B27/09
• 分類號: G02B27/09;G02B7/18
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 宋焰琴

技術領域

本發明屬于激光技術領域，具體涉及一種基于等腰直角三角棱鏡的激光線寬壓窄擴束方法和系統。

背景技術

在特定波長處的窄帶寬激光輸出具有很大的應用。為了滿足具有光譜控制要求和窄帶激光輸出的應用需求，需要通過特殊的線寬壓窄光譜控制措施來對激光器自由振蕩產生的自然光譜進行壓窄，同時進行高精度的波長選擇。

棱鏡組擴束結合光柵分光的光譜控制方法是目前使用較廣的線寬壓窄結構。棱鏡擴束組以棱鏡色散特性為基礎對光束尺寸進行一維展寬。棱鏡組具有光學元件加工方便、結構簡單、光路校準簡單等優點，同時同球面鏡、柱面鏡、反射鏡等擴束元件相比，棱鏡組結構受元件間的間隔變化影響較小。經棱鏡組擴束后的光束傳輸至光柵進行高精度分光，利用高分辨率光柵的色散分光特性結合光路控制形成針對入射激光光譜的波長選擇及帶寬壓窄。

棱鏡組是激光線寬壓窄模塊中用于擴束的最常使用的方法，擴束棱鏡組作為線寬壓窄模塊的關鍵部件，是獲得窄帶激光線寬的重要元件。棱鏡組起到對入射至光柵之前的光束進行一維展寬作用，同時棱鏡的色散特性對入射的光譜也具有一定的發散功能，從而為后續光柵進行分光提供前提準備。線寬壓窄帶寬表達式為：

ΔλN≈Δθ(KN▿λθG+N▿λθP)-1]]>

式中，Δθ為激光光束發散角，N為單脈沖激光在諧振腔內的往返振蕩次數，K為擴束棱鏡組的光束展寬倍數(多棱鏡時放大倍率為N為棱鏡組元件數量)，為棱鏡組的角色散，為Littrow模式光柵元件的角色散。由公式可知，棱鏡組的擴束倍率K以及角色散是影響最終激光譜寬窄化的關鍵元件。

線寬壓窄模塊中的擴束棱鏡通常采用經優化設計后的具有特定頂角的直角棱鏡，通過棱鏡組合方式的選擇，最大限度的消除棱鏡組色散影響。該種設計通過對棱鏡入射角度的控制實現對激光線寬精確控制，復現性突出。此種設計光束按照特定的入射角入射即可得到既定的擴束放大倍率，進而經光柵精密分光選擇獲得所需線寬值。因此該種設計通常要求棱鏡頂角具有很高的加工精度、在使用中需精確控制入射角，方可保證入射光線按照既定設計的光路傳輸。

圖1是三棱鏡傳輸光束的原理示意圖。如圖所示，三棱鏡的一條邊與地面平行，在此稱為底邊，另兩條邊為側邊。光束從一條側邊入射后從另一條側邊出射。該三棱鏡的與底邊相對的角為頂角為α，三棱鏡折射率為n，一束具有寬度D₁的光束以一定入射角θ_i經由三棱鏡的一條側邊入射到三棱鏡，該光束在棱鏡入射表面發生偏折，偏折角為光束在介質界面發生偏折時遵循菲涅爾公式，有接著，當該光束從棱鏡的另一條側邊返回至空氣介質中，根據菲涅爾公式同樣有式中為光束在棱鏡出射面的入射角，θ_e為光束在出射面的出射角。光束經過單棱鏡后的放大倍率K主要由棱鏡入射表面和出射表面對光束的共同作用所得，即單棱鏡放大倍率K＝K′×K″，K′為光束從空氣入射到棱鏡時在入射表面發生光線偏折所產生的放大倍率，K″為光束從棱鏡出射到空氣時在出射表面發生光線偏折所產生的放大倍率，當棱鏡材料折射率n大于周圍介質折射率時，根據角度公式可知K″≤1。出射后的光束寬度為D₃，此時光束經過棱鏡后的擴束倍率可表達為：

即具有一定寬度的光束經過棱鏡后光束寬度將增加為原寬度的K倍，該光束發生一維展寬現象。