CN203117537U - 基于等腰直角三角棱镜的激光线宽压窄扩束装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种激光线宽压窄扩束装置，包括光束扩束装置，光束扩束装置用于对激光进行一维扩束，且所述光束扩束装置由单个棱镜或棱镜组构成，所述单个棱镜和组成棱镜组的棱镜均为等腰直角三棱镜。本实用新型具有结构简单、加工精度高、对光束传输波前影响小的优点，通过对棱镜入射角度和棱镜组元件数目的选择实现不同的激光光束扩束倍率，获得所需窄谱带激光线宽。

Description

基于等腰直角三角棱镜的激光线宽压窄扩束装置

技术领域

本实用新型属于激光技术领域，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装置。

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：

${\mathrm{\Δ\λ}}_N\≈\mathrm{\Δ\θ}{(K\sqrt{N}{\▿}_{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\θ}}_G+\sqrt{N}{\▿}_{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\θ}}_P)}^{-1}$

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θi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。

图2为具有特殊顶角的直角三棱镜的扩束原理示意图。如图所示，当三棱镜为直角三棱镜时，使该直角三棱镜的较短的直角边作为底边，光束从斜边入射后从较长的直角边出射。同样，当该三棱镜材料的折射率n大于周围介质折射率、且入射角θ_i为定值时，根据公式

可知，当光束垂直于棱镜的直角边出射时，

(此时D₃＝D₂，K″＝1)，棱镜出射面未对光束产生缩束作用，棱镜的放大倍率仅由棱镜入射面的扩束贡献所得，此时可获得在该入射角时的最大棱镜放大倍率。在该种条件下，根据菲涅尔公式

可确定满足垂直出射条件时的顶角α值。在该种条件下，具有特殊顶角的直角三棱镜通常面向特定入射角使用，此时可实现光束垂直于三棱镜出射以获得最大扩束倍率。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型所要解决的技术问题是传统的用于线宽压窄扩束的直角三棱镜通常需要对特殊设计的顶角进行高精度加工，棱镜加工周期长、加工成本高，同时在使用过程中对棱镜定位精度和单棱镜入射角度的要求严格的问题。

(二)技术方案

针对该问题，本实用新型提出一种激光线宽压窄扩束装置，该装置采用等腰直角棱镜代替常规具有特殊顶角的直角棱镜作为扩束元件，利用若干个等腰直角三棱镜的组合获得有效的光束放大倍率，结合高分辨率衍射光栅的精密分光作用，实现有效的光谱压窄功能。

所述激光线宽压窄扩束装置包括光束扩束装置和光栅，光束扩束装置用于对激光进行扩束，光栅用于对激光进行中心波长的选择，从而实现线宽压窄，所述光束扩束装置由单个棱镜或棱镜组构成，所述单个棱镜和组成棱镜组的棱镜均为等腰直角三棱镜。

根据本明的一种具体实施方式，所述光束扩束装置由棱镜组构成，棱镜组由依次级联的多个等腰直角三棱镜构成，且激光光束依次通过所述级联的多个等腰直角三棱镜以进行扩束。

根据本明的一种具体实施方式，所述激光光束从所述棱镜组的每个棱镜的斜边所在面入射后，从其一个直角边出射。

根据本明的一种具体实施方式，所述棱镜组由N个级联的棱镜组成，N为自然数且大于或等于2，其组合方式为：沿光束入射方向的前M个棱镜的顶角朝向一致，且该M个棱镜按照相同的光束偏折方向依次摆放，其中M为自然数且小于或等于N-1；沿光束入射方向的后N-M个棱镜的顶角朝向与前M个棱镜相反，且该N-M个棱镜按照与前M个棱镜相反的光束偏折方向依次摆放。

根据本明的一种具体实施方式，组成所述棱镜组的所有三棱镜的顶角均朝向一致，光束经过所有三棱镜的偏折方向一致。

(三)有益效果

本实用新型采用等腰直角棱镜作为激光线宽压窄扩束装置的扩束元件，与常规具有特定顶角的直角棱镜元件相比，在可以满足同等扩束应用的同时，等腰直角棱镜具有结构简单、易于获得更高的加工精度、加工成本和周期相对较低的优点。同时，对于线宽压窄装置扩束棱镜常用的晶体材料而言，立方晶体沿45°对角切割方式，大大降低加工过程中晶体材料的内部缺陷损伤，一定程度上降低了材料对光束传播波前的影响。

本实用新型通过对组成扩束装置的等腰直角棱镜数量的选择、元件间的摆放方式以及入射角的控制来实现不同窄化带宽所需的放大倍率和色散要求，为后续特定光栅元件的精密分光提供前提和保障。

附图说明

图1为三棱镜传输光束的原理示意图；

图2为具有特殊顶角的直角三棱镜的扩束原理示意图；

图3为本实用新型中所采用的等腰直角三棱镜的扩束原理示意图；

图4为本实用新型的基于等腰直角三角棱镜的激光线宽压窄扩束装置的一个实施例的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型作进一步的详细说明。

本实用新型旨在针对激光线宽压窄中的应用需求，提出采用等腰直角三棱镜构建线宽压窄扩束装置。通过对等腰直角三棱镜的入射角度、棱镜组中的棱镜数量、组合方式等因素的综合选择，实现满足具有特定放大倍率要求、以及高光束透过率的光谱一维展宽功能。

图3为本实用新型中所采用的等腰直角三棱镜的扩束原理示意图。如图所示，当光束经该等腰直角三棱镜的斜边所在面(入射面)从空气介质传输进棱镜时将发生光束的扩束作用，光束宽度由D₁变为D₂；当光束经棱镜直角边所在面(出射面)从棱镜传输回空气介质时会对光束产生缩束，光束宽度由D₂变为D₃。

在激光线宽压窄扩束装置中，当棱镜材料折射率n大于周围介质折射率时，为满足扩束应用，通常需要光束在棱镜表面按照在一定范围内的大角度进行入射。

当光束从等腰直角三棱镜的斜边入射面以大的入射角

入射时，根据折射公式

可知，当折射率n一定时，折射角

与θ_i成正比，大角度入射时可获得较大的折射角

根据角度换算公式有

确定后即可求得棱镜出射面的入射角

进而按照折射公式可求得单棱镜输出面折射角θ_e。由此可见，当折射率n和顶角α一定时，当光束以大角度入射时，即

具有较大数值时，θ_i随之增加，而

和θ_e值相应降低。

也就是说，在上述情部下，光束在该等腰直角三棱镜的出射表面的入射角

和折射角θ_e都很小，从而使得K″非常接近1。此时，光束从棱镜返回空气介质时棱镜出射面对光束产生的缩束作用很微弱，不会对棱镜放大倍率产生很大影响。

举例来说，当激光的工作波长为193.37nm，等腰直角三棱镜采用熔石英材料制成，其折射率n＝1.56022，当光束从单个等腰直角三棱镜的斜边入射面以＜67°的入射角入射时，该等腰直角三棱镜会对光束产生缩束作用(K＜1)或者扩束倍率较小(K在1～2之间)，随着入射角的增加扩束倍率增加较缓慢，无法满足扩束需要；当光束以＞68°的入射角大角度入射时，随着入射角的增加，放大倍率K会急剧增加，激光线宽窄化效果显著，可以满足线宽压窄扩束应用，因此在该种情况下可将＞68°的入射称为大角度入射。在扩束装置通常选用一定角度范围内的大角度入射。对于193.37nm波段的熔石英等腰直角三棱镜而言，在＞68°的大入射角度范围内，单棱镜出射面的放大倍率K″在0.98～1之间，对光束整体缩束影响很小。

较常规特殊顶角的直角棱镜而言，采用等腰直角三棱镜在具有光谱控制需求的激光线宽压窄装置中可以满足同等扩束应用需求。同时，等腰直角棱镜具有对光束传输波前影响小、结构简单、易于获得更高的加工精度、加工成本和周期相对较低的优点。

在实际应用中，通过对棱镜的入射角度、选用的三棱镜的数目、棱镜之间的组合方式等因素的综合选择，可实现所需的光束放大倍率以及高能量透过率的要求。在具体实施方式中，由单个等腰直角三棱镜或由多个等腰直角三棱镜组成的棱镜组来构成光束扩束装置，等腰直角三棱镜的斜边所在面作为光束入射面的摆放方式可接收到更多的光束进入棱镜。

实施例

图4是本实用新型的基于等腰直角三角棱镜的激光线宽压窄扩束装置的一个实施例的示意图。如图4所示，该装置包括输出镜1、激光放电腔3、棱镜组3和光栅4。

在该实施例中，棱镜组3由依次级联的N个级联的等腰直角三棱镜构成，N为自然数且N大于等于2。即第一棱镜31、第二棱镜32、……、第N-1棱镜33和第N棱镜34。各棱镜基于上-…上-下…-下组合方式排列，即在光束的入射方向上，前M个棱镜顶角朝向一致，后N-M个棱镜顶角朝向与前M个棱镜相反，其中M为自然数且小于等于N-1。所述顶角在此指等腰直角三角形的一个45度角。并且，依次入射到所有棱镜的光束均从斜边所在面入射，并从一条直角边(非底边)所在面出射。光束经过该棱镜组3扩束后的总放大倍率

N为棱镜组元件个数，K_i为每个棱镜的放大倍率。光束经过多个棱镜组成的扩束装置后将获得K倍的光束展宽。

所述棱镜组3用于对光束进行扩束，光栅4用于对激光的中心波长进行选择，由此，包括有棱镜组3和光栅4的谐振腔对激光放电腔2发出的激光进行中心波长选择和线宽压窄。光栅4可作为激光谐振腔一侧腔镜与输出镜1结合形成有效激光振荡输出。由棱镜组3构成的光束扩束装置能够实现低色散甚至零色散的棱镜扩束装置，在工作中能降低温度变化对波长漂移的影响。

在本实用新型的其他实施方式中，棱镜组3也可采用上-上-…-上的组合方式，即所有三棱镜的顶角均朝向一致，光束经过所有三棱镜的偏折方向一致。在这种实施方式中，基于棱镜光谱的色散特性，在线宽压窄模块中引入棱镜的角色散，可实现激光线宽的进一步窄化。

该实施例中，光束入射到棱镜组中每个棱镜的入射角度可取相同值，也可取不同值，结合实际应用选取。以棱镜组3中的每个棱镜具有相同入射角度为例说明，激光波长为193.37nm，采用四个上-上-下-下摆放方式的熔石英材料等腰直角三棱镜组成线宽压窄扩束装置，各棱镜入射角度取相同值，如68°，即光束入射到第一棱镜32的入射角、入射到第二个棱镜32的入射角、以及入射到第三棱镜33、第四棱镜34的入射角均为68°，根据角度公式可求得各棱镜出射面的出射角度均为13.40°，此时各棱镜的入射面扩束倍率相一致，出射面的扩束倍率也一致，即K′＝2.147，K″＝0.984，继续求得K_i＝K′×K″＝2.115，即单棱镜对光束的扩束倍率为2.115。四棱镜组的扩束倍率K为四个棱镜扩束倍率共同贡献所得，即 $K=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{K}_i=K_i^4=2.{115}^4=20.001,$ 由此实现了各棱镜对光束的均匀放大，该实施例中棱镜组可实现20.001倍的总扩束倍率。

光束经过单棱镜后的出射角

随着光束在棱镜上的入射角(θ_i)增加而降低，同时棱镜出射面对光束的缩束作用也越微弱。仍以193.37nm波段、熔石英等腰直角棱镜为例，光束在棱镜上的入射角为68°时，经过棱镜的出射角为13.40°，K″＝0.984；当入射角为75°时，棱镜出射角为10.57°，K″＝0.990；当入射角为80°时，棱镜出射角为9.17°，K″＝0.992；由此可见，在大入射角范围内，等腰直角棱镜的出射面对光束的缩束影响较小，入射角度越大，缩束影响越小。

在线宽压窄扩束应用中，棱镜组各元件可选择相同的光束入射角度，此时各棱镜的扩束倍率相同，光束经过各棱镜实现均匀放大；棱镜组各元件也可选择不同的入射角度，根据实际扩束倍率要求，对个别棱镜入射角度进行调整。提高棱镜入射角度、或采用多个棱镜组合均是提高棱镜扩束倍率的主要方法，但同时都会伴随能量一定程度上的损失，因此在实际应用中，有效的扩束倍率、高效率能量输出的实现需对棱镜入射角度、棱镜元件数目的选择进行综合分析。本实用新型在深紫外波段应用时，棱镜组3中的棱镜可选用高透过率的UV级熔石英、UV级CaF₂等材料加工。熔石英具有加工精度高、易量产等优点，在低重复频率、低激光功率密度的线宽压窄中具有一定的应用优势。CaF₂因其材料本身的高热传导率、不易产生色心等优点而更广泛应用于高激光功率密度应用条件下。

同时，对于线宽压窄装置扩束棱镜常用的晶体材料而言，立方晶体沿45°对角切割方式，制造等腰直角三棱镜时能大大降低加工过程中晶体材料的内部缺陷损伤，一定程度上降低了材料对光束传播波前的影响。

虽然上述实施例描述了由棱镜组成构成光束扩束装置的情况，但是，由单个等腰直角三棱镜来构成光束扩束装置的实施方式也能达到相同的技术效果，其具体方案可由本领域的技术人员根据上述描述容易实现，故在此不再赘述。由此，由单个等腰直角三棱镜来构成光束扩束装置的技术方案也涵盖在本实用新型的保护范围内。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种激光线宽压窄扩束装置，包括光束扩束装置，所述光束扩束装置用于对激光进行扩束，其特征在于， 

所述光束扩束装置由单个棱镜或棱镜组构成，所述单个棱镜和组成棱镜组的棱镜均为等腰直角三棱镜。 

2.如权利要求1所述的激光线宽压窄扩束装置，其特征在于，所述光束扩束装置由棱镜组构成，棱镜组由依次级联的多个等腰直角三棱镜构成，且激光光束依次通过所述级联的多个等腰直角三棱镜以进行扩束。 

3.如权利要求2所述的激光线宽压窄扩束装置，其特征在于，所述激光光束从所述棱镜组的每个棱镜的斜边所在面入射后，从其中一个直角边出射。 

4.如权利要求3所述的激光线宽压窄扩束装置，其特征在于，所述棱镜组由N个级联的棱镜组成，N为自然数且大于或等于2，其组合方式为： 

沿光束入射方向的前M个棱镜的顶角朝向一致，且该M个棱镜按照相同的光束偏折方向依次摆放，其中M为自然数且小于或等于N-1； 

沿光束入射方向的后N-M个棱镜的顶角朝向与前M个棱镜相反，且该N-M个棱镜按照与前M个棱镜相反的光束偏折方向依次摆放。 

5.如权利要求4所述的激光线宽压窄扩束装置，其特征在于，组成所述棱镜组的所有三棱镜的顶角均朝向一致，光束经过所有三棱镜的偏折方向一致。 

6.如权利要求1至5中任一项所述的激光线宽压窄扩束装置，其特征在于，所述等腰直角三棱镜采用UV级熔石英或UV级 CaF₂制成。 

7.如权利要求2至5中任一项所述的激光线宽压窄扩束装置，其特征在于，激光对于所述棱镜组中包括的各棱镜的入射角度相同。 

8.如权利要求7所述的激光线宽压窄扩束装置，其特征在于，所述入射角度为68°～80°。 

Images