激光反射镜 Laser mirrors

2022-11-11 10:54:47 浏览:269

定义

用于激光谐振器和其他光学装置的高质量反射镜。

激光器的谐振器包含反射镜,反射镜必须满足许多标准,特别是

  • 低反射损耗(对于高反射镜),或(对于输出耦合器)在特定波长范围内明确定义的透射率
  • 表面的高光学质量(大面积平整度好,显微粗糙度低)(避免可能降低光束质量的波前畸变))
  • 对高光强度具有良好的抵抗力,以避免激光引起的损伤(特别是在Q开关激光器中),即高损伤阈值

在几乎所有情况下,基于多层结构的介电镜(主要是四分之一波反射镜)都用作激光反射镜。 (关于介电镀膜的文章介绍了介电激光反射镜制造的一些细节。 通常,其中一个用作输出耦合器的镜子对激光辐射具有显着的透射率,而所有其他反射镜都具有高反射率(例如,反射率为>99.9%)。 一些镜子也可以制成二向色镜,允许将泵浦光注入末端泵浦激光器的增益介质中。 (对于某些准三电平激光器,由于泵浦和激光波长非常接近,对这种二向色镜的要求可能很高。

图1:介电激光反射镜。 照片由EKSMA OPTICS提供。

当然,激光反射镜也可用于反射激光谐振器外部的光。 例如,通常使用一对转向镜,每个转向镜将光束偏转≈ 90°,将激光束发送到某些设备中。 转向镜的后视镜支架通常有两个或三个调节螺钉,可以调整光束的虚拟原点和方向。

表面质量

对于大多数激光反射镜,局部缺陷密度方面的表面质量尤为重要。 这主要是为了避免光束失真,特别是在为衍射限制输出光束质量设计的激光器中。 正如关于镜子的文章中所解释的那样,表面质量通常根据美国标准MIL-REF-13830B使用“划痕和挖掘”规范进行量化,或者根据ISO 10110-7以更严格的方式进行量化。

此外,人们经常量化表面不规则性的公差,这与保持波前有关;例如,对于某些激光器,λ/ 2的不规则性可能就足够了,而对于其他激光器则需要λ/ 8或更好的不规则性。 但请注意,有意义的规范需要更多信息,特别是:

  • 重要的是要知道这些值是指表面还是反射时的波前,因为由此产生的波前误差是其两倍。
  • 人们需要知道指定的数字是峰峰值还是 r.m.s. 值。
  • 此外,这些数字是典型值还是保证的最坏情况值是有意义的。

损坏阈值

主要对于调Q激光器,激光诱导损伤的阈值很重要。 一些激光设计涉及谐振镜上特别高的光学强度,仅适用于具有特别高损伤阈值的反射镜。 这可以通过选择合适的涂层材料以及高质量的制造工艺来实现。 请注意,即使对于给定的材料,杂质或微观缺陷也会大大降低损坏阈值。

残留传输

即使是高反射激光反射镜也表现出一些残余透射。 特别是高功率激光器,这可能导致具有大功率的额外输出光束,这些光束有时用于诊断目的,例如在不使用部分输出光束的情况下监控激光功率。 然而,残余透射的不均匀性可能会带来问题,这对于高反射镜来说可能很强。

二向色性

许多激光反射镜只需要对激光波长进行高反射。 然而,在某些情况下,人们需要额外的特性,例如在较短波长下泵浦光的高透射率。 然后需要使用具有更复杂薄膜设计的二向色镜。 例如,图2显示了短通反射镜的反射光谱,可用于端泵浦Nd:YAG激光器:例如,808 nm的泵浦光透射良好,而1064 nm的激光则完全反射。

图2:980 nm以下高透射率和1030 nm以上高反射率的介质边缘滤光片的反射率曲线。

在其他情况下,有必要在不需要的激光线上具有高谐振器损耗。 例如,如果谐振器中至少一个镜子的高透射率充分抑制了1064 nm处的较强激光线,则可以强制Nd:YAG激光器在946 nm处工作。

镜面基板

通常,激光反射镜是基于由某些玻璃(例如BK7或熔融石英)或玻璃陶瓷制成的镜面基板制造的,但也可以直接在激光晶体(或玻璃)上沉积镜面涂层,例如用于单片激光器。 典型的镜面基板为圆柱形,直径为1英寸(≈25.4毫米)或0.5英寸,厚度为6毫米。 即使对于高反射镜,一些基板特性也很重要,特别是表面质量,还有高刚度、低热膨胀系数和/或高导热性(以避免高功率激光器中的热膨胀)。 对于部分透射镜,具有高光学均匀性(以避免透射光的光束失真)以及低吸收和散射损耗也很重要。

镜面基板可能具有曲面,导致聚焦或散焦激光反射镜。 有效焦距是曲率半径的一半,假设正常入射。 对于强曲率,例如曲率半径远低于10毫米,可能很难获得高质量的镜面镀膜。 一些专家可以制作半径为 1 毫米左右的优质镜子。

有关更多详细信息,请参阅有关镜面基板的文章。

激光反射镜支架

激光反射镜通常放置在可调节的支架上(见图2)。 例如,通过转动两个或三个调节螺钉,可以对准激光谐振器。 高质量的安装座可实现稳定的安装,同时对反射镜基板施加很少的机械应力,并表现出长期稳定的镜面方向,而温度变化的影响很小。

图3:作为二极管泵浦激光器一部分的激光反射镜放置在可调节的反射镜支架上。调节螺钉允许对准激光谐振器。来源:尖端光电。

特殊反射镜类型

特殊类型的介电镜,如啁啾镜(或其他类型的色散镜),也可以在锁模激光器的谐振器中提供适量的色散。 这样就可以避免使用棱镜对,从而构建相当紧凑的飞秒激光器。

也有反射损耗极低的超级反射镜,但这些很少用于激光谐振器,而是用于特殊应用,例如构建具有非常高Q因数的谐振器。

金属涂层反射镜,如银镜,通常不适合激光谐振器,因为它们具有更高的反射损耗,也不适合作为输出耦合器。 此外,它们倾向于在表面上氧化,从而失去表面质量和反射率。 然而一氧化碳2激光器通常需要金属涂层的第一表面反射镜,例如在铜基板上涂上金涂层。 还有一些其他种类的第一表面反射镜适用于激光谐振器。

激光物理

作          者: 泮桥成像光电商城

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