布魯斯特窗是高功率雷射系統中關鍵的無鍍膜光學元件，可實現布魯斯特角 p 偏振光的零反射損耗傳輸，同時抑制 s 偏振光。本文綜述了高功率雷射布儒斯特窗的工作原理、材料選擇、角度公差控制、表面品質規格和典型應用，為高效率、高損傷閾值雷射腔提供了完整的設計框架。

一、簡介

在高功率雷射諧振器中，最大限度地減少插入損耗並確保偏振純度至關重要。布魯斯特窗是一個傾斜的平面平行板，安裝在與光軸成布魯斯特角的位置。它無需鍍膜即可消除 p 偏振光的反射損失，透過選擇性反射抑制 s 偏振光，並提高光束偏振純度和輸出穩定性。

2、工作原理

布魯斯特窗基於布魯斯特角和菲涅爾方程式運作。

● 當光線以布儒斯特角θ_B 入射時，反射光束為純s 偏振光，p 偏振光反射率為零，完全透過。

● 反射光束和折射光束相互垂直。

●布儒斯特角公式： θ_B = arctan(n) 其中n 是窗口材料的折射率。

● 對於熔融石英（n≈1.46@633 nm），θ_B≈55.57°。

● 對於ZnSe (n≈2.4@10.6 μm)，θ_B≈67.4°。

在雷射腔體中，多次往返會強烈衰減 s 偏振光，從而產生高純度的線偏振輸出。

3. 高功率雷射的材質選擇

關鍵要求：高雷射誘導損傷閾值（LIDT）、低吸收、寬透明度、良好​​的導熱性和穩定的機械性能。

3.1 紫外線熔融石英

● 透明度：185 nm–2.1 μm

● n≈1.46；θ_B≈55.57°

●高LIDT、低螢光、低熱膨脹

●固態、光纖和超快雷射的首選

3.2 BK7玻璃

●透明度：350 nm–2.0 μm

● n≈1.51；θ_B≈56.5°

● 拋光性好，成本低

● 用於中低功率系統

3.3 ZnSe（硒化鋅）

●透明度： 0.5μm–22μm

● n≈2.4@10.6μm；θ_B≈67.4°

● 高紅外線透過率

● CO2 高功率雷射標準

3.4 藍寶石

●高硬度、高導熱性、高LIDT

● 適用於極高功率及惡劣環境

4. 角度公差和對準精度

角度誤差直接降低p偏振透過率並增加損耗。

● 角度公差：高功率系統≤±0.1°

● 平行度：≤5-10角秒，避免光束偏轉

● 傾斜誤差 >0.5° 會導致明顯的反射損耗並降低偏振純度

5. 表面規格

高功率雷射要求嚴格的表面質量，以避免散射、吸收和損壞。

5.1 表面質量

● 雷射等級：10–5 或 20–10 刮痕-凹痕

● 最大限度地減少顆粒造成的損壞

5.2 平整度

● 通光孔徑≤ λ/10 @ 632.8 nm

● 保持波前質量

5.3 通光孔徑

● 短軸的90%

● 確保光束完全通過

5.4 邊緣和塗層

● 精細打磨的邊緣確保機械穩定性

● 無塗層，可實現最高 LIDT；可選疏水膜以防止污染

6. 典型應用

6.1 雷射腔偏振控制

用於氦氖雷射、二氧化碳雷射、固態雷射和光纖雷射，以產生低損耗的線偏振輸出。

6.2 高功率光束傳輸

減少高功率傳輸系統中的反射損耗和熱透鏡效應。

6.3 偏光清洗

提高科學和工業裝置中的偏振消光比。

6.4 超快和紫外線雷射器

熔融石英布魯斯特窗口支援高峰值功率、超快系統。

七、設計總結

● 原理：θ_B = arctan(n)；p 偏振傳輸時反射損耗為零。

● 材質：熔融石英（UV-NIR）、ZnSe（IR）、BK7（一般）。

● 公差：角度±0.1°，平行度≤10 arcsec。

● 表面：10-5個刮痕，平整度≤λ/10。

● 應用：雷射腔、光束傳輸、偏振控制。

結論

布魯斯特窗在高功率雷射系統中是不可或缺的。正確的設計（材料選擇、嚴格的角度公差和雷射級表面規格）可確保低損耗、高損傷閾值和穩定的偏振輸出。它們仍將是先進高功率雷射開發的關鍵。