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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410726970.X (22)申请日 2014.12.03 H01S 3/10(2006.01) (71)申请人 西北核技术研究所 地址 710024 陕西省西安市灞桥区平峪路 28 号 (72)发明人 朱峰 于力 易爱平 唐影 (74)专利代理机构 西安文盛专利代理有限公司 61100 代理人 李中群 (54) 发明名称 激光线宽压缩模块及窄线宽激光器 (57) 摘要 本发明公开了一种激光谐振腔的线宽压窄模 块。该模块为一集成光学器件，其中棱镜状本体的 两个侧面分别构成入射面和反射面，反射面为反 射型闪耀光栅，可以解决低增益激光。
2、器中由于光 学系统复杂、光学元件表面损耗带来的出光困难 难题，并且该模块光学集成度高，调节以及使用简 单。该模块具有良好的波长选择特性，和较好的抗 损伤阈值。用该模块搭建的激光谐振腔，光学元件 少，抗干扰能力强，可用于环境复杂的场合。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 104485574 A (43)申请公布日 2015.04.01 CN 104485574 A 1/1 页 2 1.一种激光线宽压缩模块，其特征在于 ：包括对该激光波长高透射的棱镜状本体，所 述的棱镜状本体的两个侧面。
3、分别构成入射面 (1) 和反射面 (2)，所述的反射面 (2) 为反射 型闪耀光栅(3)，从入射面(1)入射的激光经棱镜状本体折射后入射至反射型闪耀光栅(3) 后，反射型闪耀光栅 (3) 的 1 级衍射光沿入射激光原路返回。 2.根据权利要求 1 所述的激光线宽压缩模块，其特征在于 ：所述的入射面 (1) 和反射 面 (2) 构成的顶角 满足 其中 in 为激光入射至入射面的入射角，n为棱镜状本体的介质折射率，d为光栅周期， 为激光波长。 3.根据权利要求 1 所述的激光线宽压缩模块，其特征在于 ：在入射面 (1) 上镀有对该 波长激光的增透膜 (7)。 4.根据权利要求 1 所述的激光线宽压。
4、缩模块，其特征在于 ：所述的棱镜状本体采用石 英、K9 或 CaF 2 玻璃光学透明材料制成。 5.根据权利要求 1 所述的激光线宽压缩模块，其特征在于 ：所述的反射面 (2) 采用胶 合的方法粘贴在棱镜状本体上，或者在棱镜本体上直接刻画出周期形貌。 6.一种利用权利要求 1 所述的激光线宽压缩模块构成的窄线宽激光器，其特征在于 ： 激光器增益介质 (12) 的一端设置有半透半反射输出镜 (10)，增益介质 (12) 的另一端设置 有激光线宽压缩模块。 7.根据权利要求 6 所述的窄线宽激光器，其特征在于 ：在半透半反射输出镜 (10) 和增 益介质 (12) 之间设置有光阑 (11)。 8.。
5、一种利用权利要求 1 所述的激光线宽压缩模块构成的窄线宽激光器，其特征在于 ： 激光器增益介质 (12) 的一端设置有全反射腔镜 (13)，增益介质 (12) 的另一端设置有激光 线宽压缩模块，所述的激光由反射型闪耀光栅的 0 级方向出射。 9.根据权利要求 8 所述的窄线宽激光器，其特征在于 ：在全反射腔镜 (13) 和增益介质 (12) 之间设置有光阑 (11)。 权 利 要 求 书CN 104485574 A 1/4 页 3 激光线宽压缩模块及窄线宽激光器 技术领域 0001 本发明涉及激光技术领域，特别是一种用于激光线宽压缩和选线的光学元件，本 发明公开的线宽压缩元件集成度高，调节简单。
6、，易于使用，高度的集成特性，使得该元件特 别适用于环境复杂，对谐振腔稳定度要求高的场合。 背景技术 0002 激光器的线宽是指激光器输出的光谱的带宽，通常采用光谱峰值的半高宽度为激 光线宽。线宽压缩的目的是获得高的激光谱功率密度。现有激光器中的线宽压缩模块多采 用光栅和其他光学器件的组合，基本压缩原理主要是色散原理。但由于采用了分立的光学 元件，增加了光学系统的复杂度和调节难度，降低了激光器系统的抗外界干扰性能，限制了 激光器系统的环境适用性。 发明内容 0003 本发明将多个光学元件集成为一体，成为一个单一的独立的光学元件，简化了激 光器光学系统，增强了激光器环境适用性。本发明提供一种激光谐。
7、振腔的线宽压缩模块，可 以解决低增益激光器由于光学系统复杂、光学元件表面损耗带来的出光困难难题，并且该 模块光学集成度高，调节、使用简单。用该模块搭建的激光谐振腔，光学元件少，抗干扰能力 强，可用于环境复杂的场合。 0004 本发明技术方案如下 ： 0005 一种激光线宽压缩模块，包括对该激光波长高透射的棱镜状本体，所述的棱镜状 本体的两个侧面分别构成入射面和反射面，所述的反射面为反射型闪耀光栅，从入射面入 射的激光经棱镜状本体折射后入射至反射型闪耀光栅后，反射型闪耀光栅的 1 级衍射光沿 入射激光原路返回。 0006 上述激光线宽压缩模块中，所述的入射面和反射面构成的顶角满足 其中 in 为。
8、激光入射至入射面的入射角，n为棱镜状本体 的介质折射率，d 为光栅周期， 为激光波长 0007 上述激光线宽压缩模块中，在入射面上镀有对该波长激光的增透膜。 0008 上述激光线宽压缩模块中，所述的棱镜状本体采用石英、K9 或 CaF 2 玻璃制成。 0009 上述激光线宽压缩模块中，所述的反射面采用胶合的方法粘贴在棱镜状本体上 或者在棱镜本体上直接刻画出周期形貌。 0010 一种利用上述激光线宽压缩模块构成的窄线宽激光器，激光器增益介质的一端设 置有半透半反射的输出镜，增益介质的另一端设置有激光线宽压缩模块。 0011 上述窄线宽激光器中，在输出镜和增益介质之间设置有光阑。 0012 一种利。
9、用上述激光线宽压缩模块构成的窄线宽激光器，激光器增益介质的一端设 置有全反射腔镜，增益介质的另一端设置有激光线宽压缩模块，所述的激光由反射型闪耀 说 明 书CN 104485574 A 2/4 页 4 光栅的 0 级方向出射。 0013 上述窄线宽激光器中，在全反射腔镜和增益介质之间设置有光阑。 0014 本发明具有的技术效果如下 ： 0015 1、本发明简化了线宽压窄模块，减少了实际光学元件的数目，调节简单，使用方 便，抗外界干扰能力腔，减小了每个光学元件表面反射带来的损耗，特别适用于搭建低增益 且具有选线功能的激光谐振腔。同时本发明具有棱镜和光栅的双重色散特性，可用于搭建 色散效率较高的色。
10、散腔。 0016 2、本发明特殊的顶角设计可以使得工作波长的光沿入射光路返回，具有光学反馈 功能。将激光线宽压缩模块应用到激光器增益介质反馈中，可具备选线和光学反馈双重功 能。 0017 3、本发明利用衍射光栅不同衍射级分别作为激光器的输出端和反馈端，可大大优 化激光器的结构，提高光栅衍射光的利用效率。此结构利用光栅 0 级衍射光输出，使得激光 器的半反射腔镜变成了全反射镜，可以减小激光器谐振腔的光学损耗，降低激光器振荡阈 值，提高激光输出能量。 0018 4、本发明采用斜入射方式，光束宽度变宽，增大了入射至器件的入射面积，可以降 低入射至工作面的光功率密度，延长器件使用寿命。 0019 5、。
11、本发明采用布儒斯特角入射方式，可以提高激光器的偏振度，也可以降低谐振 腔的光学损耗 ；同时入射面采用增透膜方式，减少谐振腔的光学插入损耗。 附图说明 0020 图 1 为本发明整体式线宽压缩模块的结构及原理示意图 ； 0021 图 2 为本发明胶合式线宽压缩模块的结构及原理示意图 ； 0022 图 3 为本发明胶合式线宽压缩模块中光栅的结构示意图 ； 0023 图 4 为本发明包含增透膜的线宽压缩模块的结构及原理示意图 ； 0024 图 5 为利用本发明线宽压缩模块作为反馈腔镜构成的激光器原理示意图 ； 0025 图 6 为利用本发明线宽压缩模块同时作为反馈腔镜和输出腔镜的激光器原理示 意图。。
12、 0026 附图标记：1入射面；2反射面；3光栅；4光栅反射膜；5周期结构 ；6 透明基底 ；7增透膜 ；10半透半反射输出镜 ；11光阑 ；12增益介质 ；13全反射腔 镜。 具体实施方式 0027 如图 1 所示，本发明提供一种激光谐振腔的线宽压窄模块，该模块为一集成光学 体器件，该模块具有棱镜外貌特征，主要工作面有两个，一个为入射面 1，另一个为具有特殊 周期结构特征的反射面 2，入射面 1 和反射面 2 之间具有一个特殊的夹角 。 0028 其中入射面 1 为平面，根据需要可镀增透射膜减少反射损失，或者在不镀膜情况 下，光以布儒斯特角入射到线宽压窄模块的入射面1。线宽压窄模块的材料对于。
13、工作波长为 透明材料，例如工作波长在可见光范围内，常用的材料有石英、K9、CaF 2 玻璃等。 0029 线宽压窄模块的反射面 2 为一具有一定周期结构 5 面型的内反射表面，具有一定 说 明 书CN 104485574 A 3/4 页 5 的色散特性。其中周期结构 5 形成一个内反射的光栅面，周期结构 5 外表面镀有高反射膜， 以形成内反射。该反射面同时具有色散特性和闪耀特性，可以将特定波长的光能量集中到 特定的方向，此外，具有周期和闪耀特性的面型结构还可以降低谐振腔反馈损耗。 0030 内反射光栅的加工方法可以在光学材料上加工出所需要的周期结构，常见的加工 方法有直接法和胶合法。 0031。
14、 直接法是直接在反射面 2 上形成周期性闪耀结构，如果选择的元件材料质地相对 较软，如聚碳酸脂材料 ( 折射率 1.58)，有一定韧性，易于加工，可以在反射面 2 上直接刻画 出周期结构，再镀全反射膜 ；如果元件材料较硬，地质较脆，可以再在反射面 2 上镀上一层 较软的光学材料，如在反射面 2 上镀一层透明基底材料如 MgF 2 ，在 MgF 2 上刻划出需要的周 期形貌，然后在该形貌的基础上镀多层膜系结构，形成全反射膜。直接法加工后的器件如图 1 所示。 0032 胶合法是可以选择在易于加工的透明基地 6 材料上如有机玻璃表面刻画出周期 结构 5，并在周期面上镀全反射膜 ( 如图 3 所示 。
15、)，最后胶合在反射面 2 上。胶合后的器件 结构如图 2 所示。 0033 如图4所示，线宽压窄模块入射面镀增透膜7情况下，光以大角方式入射到该线宽 压窄模块入射面。线宽压窄模块不镀增透膜情况下，光以特定偏振态以布儒斯特角入射到 所述线宽压窄模块的入射面。 0034 线宽压窄模块入射面 1 和反射面 2 之间的夹角 是特殊设计的，它使得特定波长 ( 工作波长为 ) 的入射光以同样的角度反射出该线宽压窄模块，为谐振腔提供光学反馈， 由入射角、材料折射率和反射面 2 的周期间隔共同决定。 角度可以按照下式计算 0035 0036 其中 in 为入射角，n 为介质折射率，d 为光栅周期， 为入射波长。
16、。 0037 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 0038 本发明提供一种光学集成度高，调节使用方便的光学元件。当入射光斜入射到元 件的入射面1后，发生折射，光束宽度变宽，然后入射到反射面2，在反射面2发生衍射，特定 波长的光可以按入射光的方向反射，该元件具有波长选择特性和光学反馈特性。 0039 图1、图2和图3为本发明的基本结构图，其特征包括有入射面1、反射面2，以及入 射面 1 和反射面 2 之间特殊的夹角 。反射面 2 具有一定的周期结构。工作波长的光从入 射面1进入所述元件，在具有周期结构和闪耀特性的反射面2上发生色散并产生衍射，闪耀 级次被准直回到原来的光路，由。
17、入射面 1 出射，按原光路返回，在谐振腔内形成光学反馈。 0040 图 4 为反射面 2 周期面结构的工作方式图，所刻周期结构具有闪耀光栅的特性， 可以使从玻璃介质内部入射到反射面 2 的光发生色散，并衍射出多个级次 ；其次，周期微槽 面结构具有闪耀特性，可以将需要的光能量集中到某一个特定级次上 ( 如常用的 1 级衍射 光 )，以提高衍射效率。 0041 下述为两个加工实例，所选元件工作波长、光学材料，以及光栅周期等仅仅为了说 明设计需要，依据实际使用情况不同而不同，不做限定。 0042 元件材料取石英玻璃，元件工作波长取 532nm，材料折射率为 1.45。面 1 为入射 面，光以布儒斯特。
18、角度入射。面 2 为反射面，设计为 1200lines/mm 的光栅结构，设计成为闪 说 明 书CN 104485574 A 4/4 页 6 耀模式，面 1 和面 2 之间的夹角为 47.3。该光学元件可以使得 532nm 入射光按照原路返 回，可以作为 YAG 激光器谐振腔的色散元件和光学反馈元件。 0043 元件材料取石英玻璃，元件工作波长取532nm，材料折射率为1.45。面1为入射面， 光以大角度 ( 如 75角 )，略入射方式进入光学元件。面 1 表面镀 75针对 532nm 的增透 膜或者增透窄带膜。面 2 为反射面，设计为 1200lines/mm 的光栅结构，设计成为闪耀模式，。
19、 面 1 和面 2 之间的夹角为 54.5。该光学元件可以使得 532nm 入射光按照原路返回，可以 作为 YAG 激光器谐振腔的色散元件和光学反馈元件。 0044 图5、图6为使用本发明搭建激光色散腔的实例。图5为利用线宽压缩模块作为反 馈腔镜构成的激光器谐振腔。谐振腔由半透半反射输出镜 10 和线宽压缩模块组成，其特点 是线宽压缩模块的 1 级衍射光只做为激光谐振腔的反馈光，输出光由输出镜耦合出腔外。 具体为 ：线宽压缩模块产生的 1 级衍射光经过增益介质 12 在线宽压缩模块和输出镜 10 之 间反馈振荡，形成激光。输出镜 10 镀部分反射膜，将谐振腔内振荡的 1 级光能量一部分耦 合出。
20、谐振腔，另一部分反馈回腔内。线宽压缩模块仅仅起到光学反馈的作用。 0045 图 6 为利用线宽压缩模块作为输出腔镜的激光器谐振腔。谐振腔由全反腔镜 13 和所述的线宽压缩模块组成，其特点是线宽压缩模块1级衍射光做为反馈光，用0级耦合出 谐振腔能量。线宽压缩模块产生的1级衍射光在谐振腔内振荡形成激光，通过色散元件的0 级衍射光将激光能量耦合输出到谐振腔外。线宽压缩模块同时起到反馈和输出的作用。图 6 中的激光器利用衍射光栅不同衍射级分别作为激光器的输出端和反馈端，相比于图 5 的 工作方式，此结构利用光栅 0 级衍射光输出，半反射镜变成了全反射镜，可以减小激光器谐 振腔的光学损耗，降低激光器振荡阈值，提高激光输出能量。 说 明 书CN 104485574 A 1/2 页 7 图1 图2 图3 图4 说 明 书 附 图CN 104485574 A 2/2 页 8 图5 图6 说 明 书 附 图CN 104485574 A 。