[其他]新型光学二极管

说明书

该实用新型属于激光新器件技术领域。

光学二极管又叫光学单向器。其主要特性是对于正向和反向通过的光波呈现不相等的光学阻抗。主要用于环形激光器谐振腔内，是使环形激光器实现稳定的单向行波运转的关键器件。

现有类型的光学二极管的工作原理是利用物质的磁致旋光（法拉第）效应的非互易性与自然旋光效应（光学活性）的可互易性相迭加。要求沿器件的正向（磁场坐标）两种旋光效应相消，因而不改变正向行波的偏振方向。并且插入损耗很低；而沿器件的反向则是两种旋光效应相长。光束每次反向穿过器件时，偏振面被转过一个适当的角。相对于环形激光谐振腔的本征偏振方向，这个相加的旋光角可以引起足以抑制反向行波振荡的损耗。从而使激光能量（由于模竞争）稳定地集中在单一行波方向。

目前可见光波段光学二极管有美国专利两种（1）、（2）及我国报导（3）：

（1）United  States  Patent  4，194，168    Mar，18，1980  Unidirectional  Ring  Laser  Apparatus  and  Method

（2）Design  and  Performance  of  a  Broad－Band  Optical  Diod  to  Enforce  One－Direction  Traveling－Wave  Operation  of  a  Ring  Laser

IEEE  J.Q.E，Vol.QE－16，No.4，Apr.1980，9483－

（3）801D型主动稳频连续波可调谐染料激光器研制报告

中国科学院长春光机所    1986年9月

目前用于环形腔染料激光器的光学二极管即上述的美国专利（1）、（2）。它们的主要缺点是因为器件含有游离的仅仅0.1mm厚度的高级光学质量的定向水晶薄片而工艺难度极大。成品率很低，成本很高。其中一种，光束正入射，经历四个光学表面（图1－a），所以正向插入损耗较大；另一种光束以布儒斯特角经过法拉笫旋光介质。正向插入损耗较小，但器件体积庞大，而且器件置入或移出光路引起光束横移（图1－b）。激光腔的调节很不方便。

本实用新型的目的是提供一种新的光学二极管的结构和装置。克服现有器件的上述缺点。进一步提高光学单向器的性能。大幅度简化工艺难度，降低制造成本。

本实用新型的结构如图2所示，发明的要点如下：

（1）舍弃工艺难度极大的0.1mm厚的定向水晶薄片游离元件（参见图1）。光学二极管所要求的约3°的自然旋光角，改由工艺简单的厚度适当的两片同样Z向定向的左旋和右旋水晶片的厚度差来实现。选择按常规加工手段易实现高光学质量的晶片厚度t，研磨中只控制左旋和右旋晶片的厚度差，使t_右－t_左＝0.1mm。

（2）法拉笫旋光介质用日本的Hoya  FR－5旋光玻璃或天津硅酸盐所产的铽硼酸盐玻璃。厚约2mm，正入射工作。但不是游离放置，而是（1）中所述的左旋右旋水晶片粘合，形成一种（左旋法拉笫玻璃右旋）型复合层结构（图2中的2－1）。用专门研制的匹配光学胶胶合。全部光学件粘合成一体不仅提高了器件的力学性能，而且因为游离光学表面比现有器件减少一半，由于光学匹配，胶合界面上的剩余反射损耗和通带宽度远远优于目前器件依靠镀增透膜所达到的水平。

（3）用新的廉价而又具有更高磁能积的钕铁硼永磁合金取代美国专利中使用的较昂贵的钐钴永磁合金制成法拉笫旋光所要求的恒磁场。利用一种反极性串联结构（图2中的2－2）来进一步提高工作区域的磁场强度（H₂≈0.35T）和径向均匀性。并保留轴向场强的不均匀性。

（4）一种轴向微调机构（图2中的2－3）使如（2）所述的复合层型旋光体在如（3）所述的磁场内的轴向位置可以微调。即通过微调法拉笫旋光角，以精确补偿由于制造误差或由于两种介质旋光色散的差别造成的法拉笫旋光角Q_F与自然旋光角Q_N之间的偏差。从而保证在整个工作波段都能达到Q_N－Q_F＝0°，使器件有最小的正向插入损耗。

本实用新型的优点是：使光学二极管的制造技术难度大幅度降低。与美国专利比，工艺难度系数约为1：10。因而国内一般光学仪器厂或实验室都能制造。

在紧凑的复合层结构旋光体中，以光学胶合代替增透介质膜，使剩余反射缩小了5倍。近一步提高了器件的正向透过率。