專利名稱：一種受抑全內(nèi)反射激光q開關(guān)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種受抑全內(nèi)反射激光Q開關(guān)裝置，屬于激光光電子技術(shù) 及其應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
受抑全內(nèi)反射(Frustrated total internal reflection,簡(jiǎn)稱FTIR) 調(diào)制方式，它的基本原理如圖l所示，當(dāng)光線由折射率為w、的光密介質(zhì)l進(jìn) 入折射率為"2 U >w2)的光疏介質(zhì)2時(shí)，在入射角大于臨界角時(shí)將發(fā)生全反 射。在此條件下，雖然入射波完全反射，但是此時(shí)存在一種特殊的透射波場(chǎng)， 它穿過反射表面而進(jìn)入第二介質(zhì)中，這就是表面波或倏逝波。由于在光疏介 質(zhì)，倏逝波按指數(shù)規(guī)律急劇衰減，其穿透深度極小，按習(xí)慣取其振幅減小到交 界面處振幅的l/e時(shí)，定義其有效穿透深度為z。，有效穿透深度^為波長(zhǎng)數(shù) 量級(jí)。當(dāng)介質(zhì)2的厚度d小于倏逝波的有效穿透深度^時(shí)，且其后是折射率 為巧的第三介質(zhì)，則此時(shí)"全內(nèi)反射"將受到抑制，光波有一部分將通過介 質(zhì)2而進(jìn)入介質(zhì)三，這種現(xiàn)象即是"受抑全內(nèi)反射"。
通常受抑全內(nèi)反射激光Q開關(guān)由一對(duì)45"底角的等腰梯形石英棱鏡組成 (分別為全反棱鏡和抑制棱鏡)，抑制棱鏡的背面貼有壓電換能器，壓電換能 器精確控制抑制棱鏡與全反棱鏡之間的空氣隙厚度d，當(dāng)激光束垂直進(jìn)入全 反棱鏡后，由于光線在全反棱鏡斜面入射角為45"大于石英棱鏡的臨界角 arcsinl/n (n二l. 45為石英的折射率)，此時(shí)光線將在全反棱鏡斜面發(fā)生全反 射。在壓電換能器的驅(qū)動(dòng)下，當(dāng)全反棱鏡和抑制棱鏡之間的空氣隙厚度d小 于激光波長(zhǎng)義時(shí)，此時(shí)全反射將受到抑制，入射光線將穿過全反棱鏡和抑制 棱鏡之間的空氣隙而進(jìn)入抑制棱鏡；當(dāng)兩棱鏡間的空氣隙厚度d小于激光波 長(zhǎng)義的1/10或更小時(shí)，全反射將完全被抑制入射光線將全部進(jìn)入抑制棱鏡而 從另一面輸出。此時(shí)激光諧振腔內(nèi)損耗大，Q值低，振蕩閾值高而不能起振， 從而激光上能級(jí)的粒子數(shù)不斷積累，如圖2所示。當(dāng)全反棱鏡和抑制棱鏡之間的空氣隙厚度d恢復(fù)到激光波長(zhǎng)A時(shí)，光線恢復(fù)全反射，此時(shí)激光諧振腔 內(nèi)損耗小，Q值高，激光上能級(jí)積累的反轉(zhuǎn)粒子迅速躍遷激光振蕩輸出，如 圖3所示。
但是這種結(jié)構(gòu)的受抑全內(nèi)反射激光Q開關(guān)存在兩方面的問題， 一是當(dāng)全 反射完全被抑制時(shí)，受抑全內(nèi)反射激光Q開關(guān)中全反棱鏡和抑制棱鏡之間的 空氣隙厚度d太小，兩棱鏡之間幾乎成真空狀態(tài)，因此將在兩表面間產(chǎn)生光 膠現(xiàn)象。當(dāng)兩棱鏡間空氣隙厚度d再次增大時(shí)，壓電換能器需克服光膠帶來 的巨大阻力，導(dǎo)致受抑全內(nèi)反射激光Q開關(guān)不能快速打幵。二是受抑全內(nèi)反 射激光Q開關(guān)中抑制棱鏡質(zhì)量太大，在壓電換能器的驅(qū)動(dòng)下，抑制棱鏡不能 快速運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致受抑全內(nèi)反射激光Q開關(guān)時(shí)間太長(zhǎng)。受抑全內(nèi)反射激光Q開 關(guān)現(xiàn)有的缺點(diǎn)制約了其作為激光Q開關(guān)的廣泛應(yīng)用，特別是在短波長(zhǎng)激光調(diào) Q中的應(yīng)用。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型針對(duì)目前受抑全內(nèi)反射激光Q幵關(guān)存在的缺點(diǎn)，通過用長(zhǎng)方 形玻璃片和分光玻璃體代替45"底角的等腰梯形抑制棱鏡，很好的解決了 a) 受抑全內(nèi)反射激光Q開關(guān)中全反棱鏡和抑制棱鏡兩表面間的光膠問題;b)受 抑全內(nèi)反射激光Q開關(guān)中抑制棱鏡質(zhì)量太大導(dǎo)致的開關(guān)速度太慢問題;c)受 抑全內(nèi)反射激光Q開關(guān)不適合作為短波長(zhǎng)激光Q開關(guān)的問題。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取了如下技術(shù)方案。本裝置包括45。底 角的等腰梯形全反棱鏡、彈簧、長(zhǎng)方形玻璃片、圓柱形的分光玻璃體、支撐 架、換能器、調(diào)節(jié)螺釘和固定外框。其中換能器的一端通過調(diào)節(jié)螺釘與固 定外框相連，另一端通過支撐架與長(zhǎng)方形玻璃片固定連接，固定外框與等腰 梯形全反棱鏡的斜面固定連接。分光玻璃體的一個(gè)端面與長(zhǎng)方形玻璃片的中 央緊密粘結(jié)，長(zhǎng)方形玻璃片的上表面與等腰梯形全反棱鏡的斜面平行并且二 者之間的初始距離為垂直入射到等腰梯形全反棱鏡上的入射激光束波長(zhǎng)的n 倍(0.5^^^1(0。在等腰梯形全反棱鏡與長(zhǎng)方形玻璃片的兩端處相對(duì)應(yīng)的位 置設(shè)置有彈簧。在分光玻璃體的下部設(shè)置有底面與分光玻璃體的底面相等的
4空心圓錐，分光玻璃體的圓柱直徑大于入射激光束光斑直徑的V^倍。當(dāng)長(zhǎng)方 形玻璃片的上表面與等腰梯形全反棱鏡的斜面相接觸時(shí)，接觸面積大于入射 激光束在長(zhǎng)方形玻璃片的上表面上的光斑大小。
所述的入射激光束的波長(zhǎng)義的范圍為iOOnms A《10000nm。 所述的等腰梯形全反棱鏡的底角為45"，折射率大于V^。 所述的彈簧能夠用其他彈性部件代替。 所述的換能器為壓電陶瓷換能器或超磁致伸縮換能器。 在換能器上施加電壓，長(zhǎng)方形玻璃片將發(fā)生形變，在換能器的作用下長(zhǎng) 方形玻璃片與等腰梯形全反棱鏡之間的空氣隙厚度d在零與初始厚度《間可 調(diào)，空氣隙厚度d決定了入射光的透過率。而長(zhǎng)方形玻璃片的上表面與等腰 梯形全反棱鏡的斜面兩端處還殘留一定的空氣隙，空氣隙的存在避免了兩表 面間產(chǎn)生光膠現(xiàn)象，撤去換能器上的電壓后，質(zhì)量較小的長(zhǎng)方形玻璃片在彈 力的作用下將迅速恢復(fù)原狀。通過調(diào)節(jié)長(zhǎng)方形玻璃片與等腰梯形全反棱鏡間 的空氣隙厚度"來改變激光器諧振腔的Q值，實(shí)現(xiàn)激光束的調(diào)制。
本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)1)全反棱鏡和長(zhǎng)方形玻璃片的兩表面間不產(chǎn) 生光膠現(xiàn)象；2)長(zhǎng)方形玻璃片質(zhì)量小開關(guān)速度快；3)適合作為短波長(zhǎng)激光 Q開關(guān)。


圖1為受抑全內(nèi)反射的基本原理圖
圖2為現(xiàn)有的受抑全內(nèi)反射激光Q開關(guān)處于開啟狀態(tài)時(shí)的俯視圖 圖3為現(xiàn)有的受抑全內(nèi)反射激光Q開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)的俯視圖 圖4為本實(shí)用新型的受抑全內(nèi)反射激光Q開關(guān)裝置處于開啟狀態(tài)時(shí)的俯視
圖
圖5為長(zhǎng)方形玻璃片與等腰梯形全反棱鏡接觸時(shí)受抑全內(nèi)反射激光Q開關(guān) 裝置的俯視圖
圖6為本實(shí)用新型的受抑全內(nèi)反射激光Q開關(guān)裝置處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)的俯視
圖圖7為45"底角的等腰梯形全反棱鏡的立體圖 圖8為分光玻璃體的立體圖
圖中1、光密介質(zhì)，2、光疏介質(zhì)，3、全反射鏡，4、泵浦源，5、激光 工作物質(zhì)，6、激光輸出鏡，7、激光束，8、石英全反棱鏡，9、石英抑制棱 鏡，10、壓電換能器，11、等腰梯形全反棱鏡，12、彈簧，13、長(zhǎng)方形玻璃 片，14、分光玻璃體，15、支撐架，16、換能器，17、調(diào)節(jié)螺釘，18、固定 外框，19、等腰梯形全反棱鏡的斜面，20、長(zhǎng)方形玻璃片的上表面，21、殘 留空氣隙，22、空心圓錐。
具體實(shí)施方式

下面結(jié)合圖4 圖8對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明
如圖4、圖5所示，本實(shí)施例包括折射率為"2的45"底角等腰梯形全反棱 鏡ll、彈簧12、長(zhǎng)方形玻璃片13、分光玻璃體14、支撐架15、換能器16、 調(diào)節(jié)螺釘17和固定外框18。其中換能器16的一端通過調(diào)節(jié)螺釘17與固 定外框18相連，另一端通過支撐架15與長(zhǎng)方形玻璃片13固定連接，固定外 框18與等腰梯形全反棱鏡11的斜面19固定連接。分光玻璃體14的一個(gè)端 面與長(zhǎng)方形玻璃片13的中央緊密粘結(jié)，長(zhǎng)方形玻璃片的上表面20與等腰梯 形全反棱鏡的斜面19平行并且二者之間的初始距離為垂直入射到等腰梯形 全反棱鏡ll上的入射激光束7波長(zhǎng)的n倍(0.5Sn"0)。在等腰梯形全反棱 鏡11與長(zhǎng)方形玻璃片13的兩端處相對(duì)應(yīng)的位置設(shè)置有彈簧12。在分光玻璃 體14的下部設(shè)置有一的空心圓錐22，空心圓錐22的底面與分光玻璃體14 的底面重合，如圖8所示，空心圓錐22起分光作用。分光玻璃體14的圓柱 直徑大于入射激光束7光斑直徑的W倍。當(dāng)長(zhǎng)方形玻璃片的上表面20與等 腰梯形全反棱鏡的斜面19接觸時(shí)，接觸面積大于入射激光束7在長(zhǎng)方形玻璃 片的上表面20上的光斑大小。
本實(shí)施例中，等腰梯形全反棱鏡的折射率大于W，如圖7所示。彈簧 12能夠用其他彈性部件代替，換能器16為壓電陶瓷換能器或超磁致伸縮換 能器。調(diào)節(jié)螺釘17使等腰梯形全反棱鏡11與長(zhǎng)方形玻璃片13之間的空氣隙初始厚度《為波長(zhǎng)量級(jí)。
本實(shí)施例中入射激光束7選用波長(zhǎng)為1. 06，的Nd:YAG激光器，換能器 16為壓電陶瓷換能器，等腰梯形全反棱鏡11為折射率n二l. 45的石英棱鏡， Nd:YAG激光器的激光束7垂直進(jìn)入石英全反棱鏡11后，由于光線在石英全 反棱鏡11的斜面19入射角為45"大于石英棱鏡11的臨界角43.6"，此時(shí)光線 7將在石英全反棱鏡11的斜面19發(fā)生全反射。調(diào)節(jié)螺釘17使石英等腰梯形 全反棱鏡11與長(zhǎng)方形玻璃片13之間的初始間距c/,為1. 0um，給壓電陶瓷換 能器16施加電壓后，長(zhǎng)方形玻璃片13在壓電陶瓷換能器16的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生形 變，中央部分將向石英全反棱鏡ll靠近，最終長(zhǎng)方形玻璃片的上表面20將 與石英全反棱鏡的斜面19接觸，接觸面積大于Nd:YAG激光束7在長(zhǎng)方形玻 璃片的上表面20上的光斑尺寸，由于彈簧12的設(shè)置，所以在長(zhǎng)方形玻璃片 13與石英全反棱鏡11兩端處還殘留一定的空氣隙21，如圖5所示。此時(shí)全 反射受到抑制，激光束7將經(jīng)過長(zhǎng)方形玻璃片13進(jìn)入與長(zhǎng)方形玻璃片13緊 密粘結(jié)的分光玻璃體14 ，光線在分光玻璃體14的側(cè)面將發(fā)生全反射，最終 從分光玻璃體14內(nèi)的空心圓錐22的表面進(jìn)入空氣中。此時(shí)激光諧振腔內(nèi)損 耗大，Q值低，振蕩閾值高而不能起振，從而激光上能級(jí)的粒子數(shù)不斷積累。 當(dāng)撤去壓電陶瓷換能器16上的電壓后，由于在長(zhǎng)方形玻璃片13與石英全反 棱鏡11兩端處還殘留一定的空氣隙21，避免了長(zhǎng)方形玻璃片的上表面20與 石英全反棱鏡的斜面19發(fā)生光膠現(xiàn)象；以及長(zhǎng)方形玻璃片13質(zhì)量較小，因 此長(zhǎng)方形玻璃片13在彈簧12的作用下將迅速恢復(fù)原狀，石英全反棱鏡11 與長(zhǎng)方形玻璃片13的間距d也恢復(fù)到初始間距d,,此時(shí)垂直進(jìn)入石英等腰梯 形全反棱鏡ll的光線又發(fā)生全反射，激光諧振腔內(nèi)損耗小，Q值高，激光上 能級(jí)積累的反轉(zhuǎn)粒子迅速躍遷激光振蕩輸出，如圖6所示。通過調(diào)節(jié)長(zhǎng)方形 玻璃片13與石英等腰梯形全反棱鏡11之間的空氣隙厚度J改變了 Nd:YAG激 光器諧振腔的Q值，從而實(shí)現(xiàn)了 Nd: YAG激光束7的調(diào)制。
權(quán)利要求1、一種受抑全內(nèi)反射激光Q開關(guān)裝置；其特征在于包括45°底角的等腰梯形全反棱鏡(11)、彈簧(12)、長(zhǎng)方形玻璃片(13)、圓柱形的分光玻璃體(14)、支撐架(15)、換能器(16)、調(diào)節(jié)螺釘(17)和固定外框(18)；其中換能器(16)的一端通過調(diào)節(jié)螺釘(17)與固定外框(18)相連，另一端通過支撐架(15)與長(zhǎng)方形玻璃片(13)固定連接，固定外框(18)與等腰梯形全反棱鏡(11)的斜面(19)固定連接；分光玻璃體(14)的一個(gè)端面與長(zhǎng)方形玻璃片(13)的中央緊密粘結(jié)，長(zhǎng)方形玻璃片的上表面(20)與等腰梯形全反棱鏡的斜面(19)平行，并且二者之間的初始距離為垂直入射到等腰梯形全反棱鏡(11)上的入射激光束(7)波長(zhǎng)的n倍，其中0.5≤n≤10；在等腰梯形全反棱鏡(11)與長(zhǎng)方形玻璃片(13)的兩端處相對(duì)應(yīng)的位置設(shè)置有彈簧(12)；在分光玻璃體(14)的下部設(shè)置有底面與分光玻璃體(14)的底面相等的空心圓錐(22)，分光玻璃體(14)的圓柱直徑大于入射激光束(7)光斑直徑的 id="icf0001" file="Y2008201242040002C1.tif" wi="5" he="4" top= "132" left = "46" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>倍；當(dāng)長(zhǎng)方形玻璃片的上表面(20)與等腰梯形全反棱鏡的斜面(19)接觸時(shí)，接觸面積大于入射激光束(7)在長(zhǎng)方形玻璃片的上表面(20)上的光斑大小。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種受抑全內(nèi)反射激光Q開關(guān)裝置，其特征在于 所述的入射激光束(7)的波長(zhǎng)義的范圍為100nms;i《10000nm。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種受抑全內(nèi)反射激光Q開關(guān)裝置，其特征在于 所述的等腰梯形全反棱鏡(11)的底角為45"，折射率大于V5。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的一種受抑全內(nèi)反射激光 Q開關(guān)裝置，其特征在于所述的彈簧(12)能夠用其他彈性部件代替。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種受抑全內(nèi)反射激光Q開關(guān)裝置，其特征在于所述的換能器(16)為壓電陶瓷換能器或超磁致伸縮換能器。
專利摘要本實(shí)用新型是一種受抑全內(nèi)反射激光Q開關(guān)裝置，屬于激光光電子技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域。本裝置包括折射率為n₂的等腰梯形全反棱鏡(11)、彈簧(12)、長(zhǎng)方形玻璃片(13)、分光玻璃體(14)、換能器(16)和固定外框(18)。在換能器(16)的作用下長(zhǎng)方形玻璃片(13)與等腰梯形全反棱鏡(11)間的空氣隙厚度d在零與波長(zhǎng)量級(jí)間可調(diào)，空氣隙厚度d決定了入射光(7)的透過率。而長(zhǎng)方形玻璃片(13)與等腰梯形全反棱鏡(11)兩端處還殘留空氣隙，撤去換能器上的電壓，長(zhǎng)方形玻璃片將迅速恢復(fù)原狀。通過調(diào)節(jié)空氣隙厚度d從而改變了激光器諧振腔的Q值，實(shí)現(xiàn)了激光束的調(diào)制。本實(shí)用新型中不存在光膠的問題，并且開關(guān)反應(yīng)速度快。
文檔編號(hào)H01S3/11GK201303204SQ20082012420
公開日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2008年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月28日
發(fā)明者江 劉, 劉學(xué)勝, 葉征宇, 曹銀花, 王智勇 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)