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利用AOM+全内反射的高角度分辨率分束器
神科仪购网/SNKOO-eGo / 2020-04-15

本文介绍一种高角度分辨率分束器,基于全内反射,可用于分离仅在角度上不同的叠加光束。

一般情况下,可以通过调整束腰或其波长和延长的传播距离来改善角分辨率。但是如果束腰和波长是固定的,且系统的紧凑性和简单性要求较高,则需要考虑替代方法。声光调制器(AOM)就是一个不错的选择。因此,本文展示了直接在声光调制器后面的不同衍射级的叠加光束的分离,其工作波长为800nm,其功能原理完全依赖于全内反射的角度。由于器件的波长依赖性仅源于抗反射(AR)涂层的波长依赖性,光学元件仅依赖于标准光学元件,因此可以轻松调整波长和元件尺寸,以满足各种应用的要求。

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图 1具有折射率n1的两个直角棱镜形成具有气隙的立方体(折射率n2 <n1),在该气隙处可发生全内反射。当微调到临界角时,一个衍射级的光束被反射,而另一个被透射通过光束分离器。(a)光束分离器的俯视图,(b)微晶玻璃基座上的光束分离器。

光束分离器的示意图如图1所示:两个具有相对斜边的直角棱镜组合形成具有大约125μm间隙的立方体。第一棱镜折射率为n1,第二棱镜折射率为n2,所以全内反射可以发生在间隙的界面处。临界角可以从Snell定律得出:

θc=arcsin(n2/n1)

在AOM中,对于布拉格角入射的光,一阶强度变为最大,由下式给出

θB=λf/2ν

λ=λ0/n是光在晶体中的波长,ν是声速,f是射频,无衍射光束与一级衍射光束之间的夹角是布拉格角的两倍。

为了分离不同衍射级的光束,必须将光束分离器调谐到全内反射的临界角,以便反射一个衍射级的光束,而根据斯涅尔定律折射另一个衍射级光束。当进入第二个棱镜时,该光束在原始传播方向上再次折射,透过光学元件。

为了构建光束分离器,将由N-BK7和5 mm长棱边(Thorlabs PS909)制成的两个棱镜胶合在微晶玻璃基座上,以确保气隙的固定宽度。使用光固化粘合剂(NOA63)可在固化前精确对准棱镜。将没有涂层的光纤放置在两个棱镜之间作为间隔物以确保表面平行。所有棱镜界面都具有内部制造的AR涂层,其工作波长为800nm。该波长已经通过示例选择并且可以容易地进行调整。在该波长下,N-BK7具有1.5108的折射率,则有θC= 41.45°的临界角。

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图 2透射光束的光束位移和不需要的反射R1和R2,它们受AR涂层的抑制。

 

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图 3根据菲涅耳方程(“没有AR涂层”橙色)和AR涂层(蓝色),玻璃(n = 1.5108)到空气界面的s偏振光的反射率与入射角的函数关系。

 

当一个衍射阶的光束完全反射(与偏振无关)时,透射光束不仅被折射,而且在离开第一棱镜进入第二棱镜时也根据菲涅耳方程进行反射(见图 1)。我们使用了一种增透膜,它有五层交替的氟化镁(MgF2,n = 1.4)和硫化锌(ZnS,n = 2.4),以将临界角附近的这些不需要的反射从60%以上降低到1%一下。计算出的s偏振光的反射率与有和没有AR涂层的玻璃-空气界面(图2中的R1)的入射角的函数关系如图3所示。由于棱镜的折射角等于棱镜的入射角,当折射率倒置时,在空气-玻璃界面(R2)的反射率也同样高。因此,相同的涂层适用于两个棱镜。

由于大的折射角,光束轮廓在一个轴上被挤压,这导致椭圆形轮廓。仅对于棱镜之间的小距离,不需要补偿这种像差。另一方面,距离必须足够大以防止反射本身,从而防止标准具效应的发生。在所选择的125μm的气隙宽度下,光束位移约为1mm(见图2),折射角为41.1°。在这种配置中,与通过足够长的光束路径分辨的光束相比,我们看不到光纤耦合效率的下降和功率稳定性。

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图 4光束分离器特性测量的示意图。FC,光纤准直器; HWP,半波片;PBS,偏振分束器;AOM,声光调制器。

特性测量装置示意图如图4所示。可调谐二极管激光器(TOPTICA Photonics DL pro)的光线通过光纤引导到装置中。准直光束(束腰≈400μm;发散角在光束分离器的容许范围)通过半波片和偏振分束器进行强度调节和偏振清洁。波长计(HighFinesse WS6-200)用于监测在偏振分束器处传输的光束部分中的波长。s偏振反射部分通过AOM(A-A MT80-A1.5-IR),其中二氧化碲晶体的材料-声学模式速度为v = 4200m / s,折射率为n = 2.26。AOM工作在f = 80 MHz,则在800nm波长处的布拉格角是θB=0.19°,根据斯涅尔定律,在AOM零阶衍射光束和一阶衍射光束之间的角度是0.86°。

光束分离器放置在尖端,倾斜和旋转载物台上(Thorlabs TTR001 / M),并调整到全内反射的临界角。将在AOM和光束分离器之间测量的参考功率记录透射光谱中,如图5所示。虽然双折射在理论上与高损耗相关,但实际上由于增透膜,实现了超过90%的透射率(图5插图)。

 

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图 5计算透射光谱(蓝色),由AR涂层对41.1°角入射角的s偏振光的平方透射率和测量光谱(橙色)给出。使用OpenFilters计算的涂层光谱。

 

这种光束分离器可以开发紧凑型激光系统模块,非常适合用于空间或其他现场应用的高度稳定的激光系统。


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