相位补偿型光栅激光谐振腔

摘要

本发明是一种相位补偿型光栅激光谐振腔，涉及激光光学谐振腔和激光选频技术。本发明的光栅激光谐振腔由凹球面反射镜或者凸球面反射镜，1号光栅和2号光栅和激光输出镜组成。凹球面反射镜、1号光栅、2号光栅和激光输出镜形成激光光轴，光轴与光栅法线的夹角不等于光栅的闪耀角。本发明的光栅激光谐振腔能够解决光栅在非自准直工作情况下引起的激光光斑在光栅衍射方向上改变。适用于二氧化碳激光器和氟化氢激光器等多种可调谐激光器。

说明书

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，特别是涉及光栅作为激光选频器件在非自准直情况下的光斑修正。

背景技术

光栅具有非常好的色散能力，被广泛应用于光谱仪和激光选频输出中。光栅作为腔镜的一个组成部分，一方面是利用其具有光谱色散的能力，另一方面则是利用其平面反射特点。在一般的实际应用中光栅多以自准直的方式(即：入射光以光栅衍射角的角度入射)与其他的光学元件形成稳定腔或者非稳腔。在某些特殊的激光谐振腔中光栅是以非自准直的方式应用的，相比于自准直方式，这种方式会引起光斑在光栅衍射方向上变大或者变小，如图1(a)、(b)所示，图1(a)为自准直方式，图1(b)为非自准直方式。

光栅方程为d(sin(β)+sin(θ))＝nλ，其中β为入射光与光栅法线的夹角，θ为不同衍射级次和衍射波长的出射角。当n＝1且β＝θ₀时为光栅自准直条件，即入射光以光栅的闪耀角θ₀入射，此时光栅的一级主极大闪耀波长为λ。如果光轴与光栅法线的夹角为光栅的闪耀角θ₀，则λ即为激光波长。

图1(b)为光栅非自准直稳定腔示意图。当入射光斑的直径为D_i，则不同级次出射光斑在衍射方向上的光斑直径为：

D_o＝D_i/cos(β)*cos(θ)

出射角θ由光栅方程可以算出，所以出射光斑与入射光斑的直径比为：

图4为出射光斑与入射光斑的直径比随入射角度的变化曲线(光栅的衍射角为θ₀＝30°、n＝1、λ/d＝1)。由图中可以看出当入射角大于光栅衍射角时，光斑在衍射方向上被放大，当入射角小于光栅衍射角时，光斑在衍射方向山被缩小。

发明内容

本发明目的在于为此类光栅光学谐振腔提供一种相位补偿及复原光栅衍射方向光斑的一种方法。

为了实现本发明的目的，具体的技术方案是：

针对图1(b)的光栅非自准直激光谐振腔，本发明提出的解决方案是，在光栅的出射方向上加入腔内相位补偿光栅，如图2所示。要求相位补偿光栅的闪耀角度、闪耀波长和光栅常数与另外的一块光栅相同。根据光栅方程可以计算出出射光与光栅法线的夹角为θ。要实现相位补偿，相位补偿光栅的入射光角度至关重要，相位补偿光栅的入射光与光栅法线的夹角应为θ。在相位补偿光栅的出射方向安装一块腔镜，用来形成反馈和输出。

本发明的光栅激光谐振腔能够解决光栅在非自准直工作情况下引起的激光光斑在光栅衍射方向上改变。

附图说明

图1为单光栅自准直((a))与非自准直稳定腔((b))结构示意图；

图2为本发明结构示意图；

图中：(1)：谐振腔凹球面反射镜，(2)：1号光栅，(3)：谐振腔输出镜，(4)：增益介质，(5)：2号光栅；

图3为本发明的实施例；

图中：(1)：谐振腔凹球面反射镜，(2)：1号光栅，(3)：谐振腔输出镜(4)：增益介质，(5)：2号光栅：(6)：凸球面反射镜；

图4为直径比随入射角度的变化曲线(光栅的衍射角为30°)。

具体实施方式

为进一步说明本发明的特征和结构，以下结合附图对本发明做详细描述。

参阅图1(a)为光栅自准直激光谐振腔示意图。谐振腔由凹球面反射镜1和反射式光栅2组成，凹球面镜的法线方向与光栅法线的夹角为光栅的衍射角。当反射式光栅的0级衍射方向的反射率合适时，可以采用在光栅的0级方向作为激光的出光方向。如果光栅的0级衍射方向的反射率不合适，则可以将凹球面反射镜替换为凹球面透射镜，激光从凹球面镜方向输出。为了实现较高的功率输出，采用不同透过率的凹球面透射镜进行实验。

图1(b)为光栅非自准直激光谐振腔示意图。谐振腔由凹面镜1、反射式光栅2和平面输出镜组成，凹球面镜的法线方向与光栅法线的夹角大于或者小于光栅的衍射角。这种非自准直光栅激光谐振腔的激光输出窗口为平面镜，可以通过变化平面镜的透过率实现最佳的功率输出。

图2为本发明的相位补偿光栅激光谐振腔示意图。本发明的激光谐振腔由凹球面反射镜1、1号光栅2、增益介质4、2号光栅5和谐振腔输出镜3(平面输出镜)组成。其中凹球面反射镜法线方向的激光经增益介质放大后，经过1号光栅和2号光栅反射后与谐振腔输出镜的法线重合，部分在谐振腔输出镜表面反射后原路返回形成激光振荡(另一部分透射输出)。在激光谐振腔光腔准直情况下，凹球面反射镜的法线即为谐振腔的光轴，经过1号光栅和2号光栅反射后激光与谐振腔输出镜的法线重合。按照本发明的设计，解决图1(b)中光斑在衍射方向变大的关键在于2号光栅5的设计参数和放置位置参数。2号光栅5与1号光栅2的光栅常数d，闪耀波长λ和闪耀角度θ₀完全一致，最佳的情况是两块光栅为同一母版(原刻光栅)复制得到。2号光栅的放置位置位于1号光栅的出射方向且与1号光栅平行，1号光栅的衍射光与光栅法线的夹角即为2号光栅入射光与光栅法线的夹角。

图3为本发明的实施例，其中的凸球面反射镜6嵌在平面输出镜(谐振腔输出镜3)上。凹球面反射镜1和凸球面反射镜6表面镀高反膜，这两块反射镜与两块光栅2和5形成虚共焦望远镜腔。谐振腔输出镜3表面镀高透过滤介质膜，激光从此窗口输出空心环状光斑；1号光栅的θ＝50度(入射角)，θ₀＝30度(闪耀角度)，θ大于θ₀。