一種布儒斯特窗片的設計方法技術

一種布儒斯特窗片的設計方法，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的布儒斯特角度。本發明專利技術提供的布儒斯特窗片設計方法，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，為整體系統的穩定長效運轉提供保障。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及氣體激光器技術，具體地涉及一種氣體激光器中的布儒斯特窗片的設計方法。
技術介紹
氣體激光器針對特種應用以特征氣體為相應工作介質，通過有效的高壓氣體放電 (或激光激勵)激勵氣體產生粒子數反轉，形成相應激光波長的激光輻射輸出。尤其在某些特殊應用場合中，附加偏振特性的激光輸出更具有重要的應用價值。作為最簡單的起偏元件，氣體激光器中腔體兩側的布儒斯特窗片起到氣體密封并產生激光偏振的作用，由于氣體密封腔內部涉及高壓放電過程，從而導致窗片兩側不對稱溫度和壓力環境影響，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元件之一。其基本設計原理是通過無規偏光在不同傳輸介質界面傳輸時所發生的布儒斯特效應。如圖1所示，為光線在不同折射率介質界面發生反射折射的情況示意。圖1中光線由Ii1介質向n2介質傳輸，光線入射角為Q1，反射光線同樣以Q1角度反射，進入巧介質界面后發生偏折，折射角為θ 2，光線在介質界面發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，發生所謂布儒斯特效應，形成具有一定偏振特性的折射光線輸出，布儒斯特角為產生布儒斯特效應時的相應入射角(亦為穿過具有一定厚度光學材料后的出射角)。布儒斯特窗片的作用是在氣體激光器中充當氣體放電腔體的密封，同時根據布儒斯特效應產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，且容易因為光學材質、加工水平、吸收損耗以及應力釋放等多方面的原因導致窗片損傷，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，是實現氣體激光器良好運轉的前提和基礎。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的菲涅爾定律所決定。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介質折射率，Q1為入射角，92為折射角)，布儒斯特效應Θι+Θ2 = 90°，從而由菲涅爾定律Q1 =arctgOi ο在某些氣體激光技術應用中，布儒斯特窗片和和激光諧振腔腔鏡襯底材質均為立方晶系的CaF2材料，<111>晶軸生長方向為其傳統晶體生長方向，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用以及諧振腔鏡片應用，由于在CaF2晶體中傳輸方向的差異，對于激光在CaF2材質中的傳輸和損傷情況存在著很大的不同。具體氣體激光器結構情況如圖2b所示。為簡單起見并增加可比性，以CaF2襯底材質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，即窗片的光學法線方向，同時與激光傳輸方向成相應布儒斯特角度(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，由于實際應用的不同所導致的晶軸生長方向與激光傳輸方向的差異必然導致激光在晶體(窗片或鏡片)中傳輸過程中所導致的吸收和損傷效應的區別，從而將在一定程度上加速布儒斯特窗片的磨損，降低光學元件使用壽命，進而影響出光質量和系統工作的穩定性。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供，以改善布儒斯特窗片中激光傳輸的吸收和損傷情況，提高光學元件使用壽命，增強系統工作的穩定性。為實現上述目的，本專利技術提供的布儒斯特窗片的設計方法，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，根據實際運轉激光波長、諧振窗片晶體折射率(實際運轉激光波長條件下)，按照界面光線傳輸的菲涅爾定律和布如斯特效應(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，從而實現布氏窗片的角度設計。本專利技術提供的布儒斯特窗片設計方法，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，為整體系統的穩定長效提供保障。附圖說明圖1為光線界面傳輸菲涅爾定律示意圖。圖加為立方晶系的晶體結構示意圖。圖2b為氣體激光器結構示意圖。圖2c為傳統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為本專利技術設計的布儒斯特窗片示意圖。具體實施方式針對傳統布儒斯特窗片光學元件的設計和應用方式，本專利技術提供了布儒斯特窗片的設計方法。本專利技術的設計方法如圖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的吸收和損傷情況，提高光學元件使用壽命，增強系統工作的穩定性。本專利技術通過調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，提高光學元件的使用壽命，增強氣體激光器的整體運轉效能。4為更進一說明本專利技術的技術方案，以下舉當前氣體激光技術中常用的CaF2材料的布儒斯特窗片的設計為例。用于制作布儒斯特窗片的其他襯底晶體材料設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界面發生反射折射的情況示意。圖1中光線由Ii1介質向n2介質傳輸，光線入射角為Q1，反射光線同樣以Q1角度反射，進入巧介質界面后發生偏折，折射角為θ 2，光線在介質界面發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，發生所謂布儒斯特效應，形成具有一定偏振特性的折射光線輸出，布儒斯特角為產生布儒斯特效應時的相應入射角(亦為穿過具有一定厚度光學材料后的出射角)。布儒斯特窗片的作用是在氣體激光器中充當氣體放電腔體的密封，同時根據布儒斯特效應產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，且容易因為光學材質、加工水平、吸收損耗以及應力釋放等多方面的原因導致窗片損傷，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，是實現氣體激光器良好運轉的前提和基礎。以下通過氣體激光技術中常用的CaF2M質光學元件為例說明相關設計情況。如圖 2a所示，CaF2材料為立方晶系結構，晶軸生長方向多選擇為<111>軸，即沿立方晶體體對角線方向，在相應三維坐標基準面投影相同的點所構成的方向，沿晶軸生長方向傳輸損耗最小；晶體切割方向通常采用與<111>軸相垂直的平面，亦可根據實際需要選擇切割方向。圖2b為氣體激光器結構示意圖，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構成。布儒斯特窗片根據實際運轉波長和介質折射本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：趙江山，李慧，沙鵬飛，宋興亮，周翊，王宇，
申請(專利權)人：中國科學院光電研究院，
類型：發明
國別省市：