[发明专利]基于等腰直角三角棱镜的激光线宽压窄扩束方法和系统

说明书

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种基于等腰直角三角棱镜的激光线宽压窄扩束方法和系统。

背景技术

在特定波长处的窄带宽激光输出具有很大的应用。为了满足具有光谱控制要求和窄带激光输出的应用需求，需要通过特殊的线宽压窄光谱控制措施来对激光器自由振荡产生的自然光谱进行压窄，同时进行高精度的波长选择。

棱镜组扩束结合光栅分光的光谱控制方法是目前使用较广的线宽压窄结构。棱镜扩束组以棱镜色散特性为基础对光束尺寸进行一维展宽。棱镜组具有光学元件加工方便、结构简单、光路校准简单等优点，同时同球面镜、柱面镜、反射镜等扩束元件相比，棱镜组结构受元件间的间隔变化影响较小。经棱镜组扩束后的光束传输至光栅进行高精度分光，利用高分辨率光栅的色散分光特性结合光路控制形成针对入射激光光谱的波长选择及带宽压窄。

棱镜组是激光线宽压窄模块中用于扩束的最常使用的方法，扩束棱镜组作为线宽压窄模块的关键部件，是获得窄带激光线宽的重要元件。棱镜组起到对入射至光栅之前的光束进行一维展宽作用，同时棱镜的色散特性对入射的光谱也具有一定的发散功能，从而为后续光栅进行分光提供前提准备。线宽压窄带宽表达式为：

ΔλN≈Δθ(KN▿λθG+N▿λθP)-1]]>

式中，Δθ为激光光束发散角，N为单脉冲激光在谐振腔内的往返振荡次数，K为扩束棱镜组的光束展宽倍数(多棱镜时放大倍率为N为棱镜组元件数量)，为棱镜组的角色散，为Littrow模式光栅元件的角色散。由公式可知，棱镜组的扩束倍率K以及角色散是影响最终激光谱宽窄化的关键元件。

线宽压窄模块中的扩束棱镜通常采用经优化设计后的具有特定顶角的直角棱镜，通过棱镜组合方式的选择，最大限度的消除棱镜组色散影响。该种设计通过对棱镜入射角度的控制实现对激光线宽精确控制，复现性突出。此种设计光束按照特定的入射角入射即可得到既定的扩束放大倍率，进而经光栅精密分光选择获得所需线宽值。因此该种设计通常要求棱镜顶角具有很高的加工精度、在使用中需精确控制入射角，方可保证入射光线按照既定设计的光路传输。

图1是三棱镜传输光束的原理示意图。如图所示，三棱镜的一条边与地面平行，在此称为底边，另两条边为侧边。光束从一条侧边入射后从另一条侧边出射。该三棱镜的与底边相对的角为顶角为α，三棱镜折射率为n，一束具有宽度D₁的光束以一定入射角θ_i经由三棱镜的一条侧边入射到三棱镜，该光束在棱镜入射表面发生偏折，偏折角为光束在介质界面发生偏折时遵循菲涅尔公式，有接着，当该光束从棱镜的另一条侧边返回至空气介质中，根据菲涅尔公式同样有式中为光束在棱镜出射面的入射角，θ_e为光束在出射面的出射角。光束经过单棱镜后的放大倍率K主要由棱镜入射表面和出射表面对光束的共同作用所得，即单棱镜放大倍率K＝K′×K″，K′为光束从空气入射到棱镜时在入射表面发生光线偏折所产生的放大倍率，K″为光束从棱镜出射到空气时在出射表面发生光线偏折所产生的放大倍率，当棱镜材料折射率n大于周围介质折射率时，根据角度公式可知K″≤1。出射后的光束宽度为D₃，此时光束经过棱镜后的扩束倍率可表达为：

即具有一定宽度的光束经过棱镜后光束宽度将增加为原宽度的K倍，该光束发生一维展宽现象。