CN102157891A

CN102157891A - 一种用于产生高功率轴对称偏振光的激光器

Info

Publication number: CN102157891A
Application number: CN 201110067616
Authority: CN
Inventors: 王又青; 赵江; 李波; 杨扬; 贺昌玉
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2011-03-21
Filing date: 2011-03-21
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2031-03-21
Also published as: CN102157891B

Abstract

本发明公开了一种用于产生高功率轴对称偏振光的激光器，它包括全反镜、输出镜、激光工作介质和泵浦源，激光工作介质位于所有与全反镜垂直的折叠臂上，泵浦源为射频、半导体激光器或闪光灯泵浦源，其特征在于，它还包括4*N个转折镜，N=1、2或3；4*N个转折镜的中心均位于谐振腔的光轴上，其中，2*N个转折镜的法线与子午面平行，且相邻两个转折镜法线之间的夹角为90°，其余2*N个转折镜的法线与弧矢面平行，相邻两个转折镜法线之间夹角也为90°，且4*N个转折镜的法线与光轴的夹角均为45°。全反射镜为介质光栅镜或内轴锥金属光栅镜。本发明具有结构简单、输出的轴对称偏振光功率高、偏振度和光束质量好等特点。

Description

一种用于产生高功率轴对称偏振光的激光器

技术领域

本发明属于激光器，涉及到输出轴对称偏振光的激光器，具体涉及一种用于产生高功率轴对称偏振光的激光器。

背景技术

由于轴对称偏振光的特殊偏振特性，在很多领域中表现出诱人的应用前景。其中，最具应用潜质的是环向偏振光(图1-a)和径向偏振光(图1-b)两类轴对称偏振光，图1中的箭头指向为电矢量方向。环向偏振光和径向偏振光的偏振方向在光束横截面内除光束中心外各点均与径向分别呈90°和0°。

在激光加工中，例如激光切割、激光焊接、激光打孔等应用中，激光的偏振状态都会对激光加工质量产生重要影响。环向偏振光应用于工业激光打孔时，侧壁对激光能量的吸收很少，吸收主要集中在孔的底部。因此，采用环向偏振光加工的孔与圆偏振光加工的孔相比，具有孔径小、孔深大、锥度小、热影响区小等特点。高功率激光切割中，目前使用的圆偏振光可以消除线偏振光在不同切割路径上吸收不同的问题，提高切割精度和切割质量。但是材料对圆偏振光的吸收效率并不高，使得目前激光切割的能量利用率并未达到最大。而径向偏振光由于偏振方向沿光束横截面为径向分布，对于切割面上的每一点而言，入射的激光都是P偏振光，而材料对P偏振光的吸收率比S偏振光的吸收率大。研究表明，径向偏振光相比于圆偏振光切割效率可以提高2倍左右。

在中高功率气体激光器中，一般采用折叠腔来增加增益的长度，以便提高激光输出功率。但是由于转折镜在以非零度角入射时，对P偏振光和S偏振光的反射率有一定的差别。因此，在这种结构中，转折镜的偏振选择特性将降低轴对称偏振光的偏振度，严重的时候甚至得不到轴对称偏振的圆环空心光束。

申请号200820165973.0公开了《一种实现线偏振光转换为径向偏振光的装置》，该装置采用被动产生方式，由半波片、四分之一波片、双折射晶体、石英偏振旋转器等排列组成，将线偏振光转化为径向偏振光。这种方法的不足之处在于，采用的光学器件多，系统对波片与双折射元件光轴之间的相对位置要求严格，而且这些器件不宜承受高功率。因此这种方法不适宜于获得高功率径向偏振光。申请号200910051101.0公开了一种《输出径向偏振光束的激光器》，这种方法采用主动产生方式，以布儒斯特轴锥镜作为腔内偏振元件产生径向偏振光。但是由于插入布儒斯特轴锥镜到腔内，增加了谐振腔的损耗。而且布儒斯特轴锥镜的制造和调整精度要求很高，限制了系统的效率和输出径向偏振光的偏振度。同时，端面泵浦结构也限制了输出激光的功率。因此，这种方式也不利于输出高功率和高偏振度的轴对称偏振光。

发明内容

本发明针对上述技术的不足，提供了一种用于产生高功率轴对称偏振光的激光器，该激光器结构简单，具有输出功率和偏振度高，光束质量好的特点。

本发明提供的一种用于产生高功率轴对称偏振光的激光器，它包括全反镜、输出镜、激光工作介质和泵浦源，激光工作介质位于所有与全反镜垂直的折叠臂上，泵浦源为射频泵浦源、半导体激光器泵浦源或闪光灯泵浦源。其特征在于，它还包括4*N个转折镜，N＝1、2或3；4*N个转折镜均为平面高反射镜；4*N个转折镜在光路上位于全反镜和输出镜之间，且各转折镜的中心均位于激光谐振腔的光轴上；法线与子午面平行的转折镜个数跟法线与弧矢面平行的转折镜个数相等，其中，2*N个转折镜的法线与子午面平行，且相邻两个转折镜法线之间的夹角为90°，其余2*N个转折镜的法线与弧矢面平行，相邻两个转折镜法线之间夹角也为90°，且4*N个转折镜的法线与光轴的夹角均为45°。

作为上述技术方案的改进，激光器谐振腔的全反射镜为偏振选择镜，偏振选择镜的中心位于激光谐振腔的光轴上，且镜面垂直于光轴，偏振选择镜的刻蚀线为圆环，光栅区刻蚀圆环宽度均匀分布，光栅的刻线剖面为矩形。偏振选择镜仅对径向或环向轴对称偏振光具有高反射率。

作为上述技术方案的进一步改进，偏振选择镜为介质光栅镜。介质光栅镜优选的结构是：介质光栅镜包括介质光栅、多层介质膜和基底；介质光栅的刻线与基底同心，介质光栅镜刻蚀区的尺寸满足关系：φ₂＝φ₁-2*L，其中，φ₁为基底直径，φ₂为介质光栅刻蚀区圆环的直径，L为基底上未镀膜和未刻蚀介质光栅的圆环宽度；多层介质膜由高低折射率材料交替层叠而成；多层介质膜位于介质光栅和基底之间，介质光栅层厚度小于多层介质膜总厚度。

作为上述技术方案的另一种进一步改进，偏振选择镜为内轴锥金属光栅镜。内轴锥金属光栅镜优选的结构是：在铜基底上车出内轴锥，内轴锥的锥角为90°，且轴锥的轴线与锥外圆台垂直，并与谐振腔光轴重合，金属光栅刻于内轴锥面上，垂直于内轴锥面，金属光栅刻蚀线与轴锥同心，内轴锥金属光栅镜的尺寸满足关系：φ_a＝φ_b+2*d，其中，φ_a为内轴锥金属光栅刻蚀区锥底的直径，φ_b内轴锥金属光栅刻蚀区锥顶的直径，d为内轴锥金属光栅镜的刻蚀区高度。

本发明的技术效果：本发明通过采用空间折叠谐振腔的结构，消除了同一平面内多个转折镜对腔内光场偏振选择的影响。采用具有高偏振选择性和高反射率的偏振选择镜可以得到高偏振度的轴对称偏振光束。谐振腔无其他插入元件，谐振腔的损耗低，增益长度大，可实现高功率输出。本发明适应性广、结构简单、安装调试方便。能够满足中、高功率轴对称偏振光的输出要求。本发明易于在工业加工领域推广使用。

附图说明

图1为两类轴对称偏振光LG_01*模的电矢量结构图；

图2为本发明实施例1空间三折叠介质光栅镜激光器结构示意图；

图3为本发明实施例1空间三折叠介质光栅镜激光器右视图；

图4为本发明实施例1转折镜组件的结构示意图；

图5为本发明实施例1转折镜组件下视图；

图6为本发明实施例1平面介质光栅镜结构示意图；

图7为本发明实施例1平面介质光栅镜组件示意图；

图8为本发明实施例1平面介质光栅镜组件上视图；

图9为本发明实施例1平面介质光栅镜组件下视图；

图10为本发明实施例1内轴锥金属光栅镜组件示意图；

图11为本发明实施例1内轴锥金属光栅镜组件上视图；

图12为本发明实施例1内轴锥金属光栅镜组件下视图；

图13为本发明实施例1输出镜组件示意图；

图14为本发明实施例2空间五折叠介质光栅镜激光器结构示意图；

图15为本发明实施例2空间五折叠介质光栅镜激光器右视图；

图16为本发明实施例1平面介质光栅镜典型结构示意图；

图17为本发明实施例1平面介质光栅镜典型结构的反射率与光栅深度之间的关系图；

图18为本发明实施例1内轴锥金属光栅镜典型结构的反射率与光栅深度之间的关系图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图2，3所示，实例1为三折叠介质光栅镜激光器，它包括介质光栅镜1、转折镜2，3，4，5、输出镜6、激光工作介质7、泵浦源8、角镜支架9、10。转折镜2，3安装在角镜支架9上，转折镜4，5安装在角镜支架10上。

如图4，5所示，转折镜2，3，4，5均为相同尺寸的铜镜，在抛光的基底11上镀有高反射膜，背面铣有环型水冷却通道12，转折镜后盖板13上，有入水接口14和出水接口15。转折镜后盖板13和转折镜可以通过焊接方式连接在一起。

转折镜2，3，4，5的中心位于激光谐振腔的光轴上，转折镜2，3的法线位于同一平面内，二者之间的夹角为90°，该平面平行于弧矢面。转折镜4，5的法线也位于同一平面内，二者之间的夹角为90°，该平面平行于子午面。转折镜2，3，4，5的法线与光轴的夹角均为45°。平行于光轴入射的径向偏振光束经过转折镜2，3反射后将平行于光轴出射。子午方向上偏振分量的强度将比弧矢方向上偏振分量的强度高。平行于光轴入射的径向偏振光束经过转折镜4，5反射后将平行于光轴出射。子午方向上偏振分量的强度将比弧矢方向上偏振分量的强度低。但是，轴对称偏振光经过转折镜2，3，4，5反射后，径向各方向上偏振分量的强度均相同。这样就消除了同一平面内转折镜对轴对称偏振光的退偏影响。

如图6，7，8，9所示，介质光栅镜1装于支架19上。支架19上铣有环形水冷凹槽20。支架19和盖板21之间可以通过焊接的方式将二者连接起来形成水冷通道，用于冷却介质光栅镜。盖板21上有入水接口22和出水接口23。

介质光栅镜1采用具有优良导热性能和低吸收特性的基底16。在基底16上镀有多层介质膜17。介质光栅18位于多层介质膜17上，介质光栅的刻蚀线为圆，各刻蚀圆环与介质光栅镜基底同心，光栅剖面为矩形。中心未刻蚀区的直径为φ₃，其取值一般应小于三十个光栅周期。介质光栅镜刻蚀区的尺寸满足关系：φ₂＝φ₁-2*L。其中φ₁为基底的直径，多层介质膜17和光栅刻蚀区18具有相同的直径φ₂，L为未刻蚀圆环的宽度。在特定的光栅参数(光栅周期A，光栅脊宽b，刻槽深度h)下，过光栅镜直径的任一入射面内正入射的P偏振分量或与之正交的S偏振分量的反射率接近于100％，且高于与之正交的S偏振分量或P偏振分量的反射率10％以上，就有非常好的偏振选择效果。那么，将光栅镜作为激光谐振腔的尾镜，腔内过任一介质光栅镜直径的入射面内仅有P偏振或与S偏振分量可以几乎完全被反射，而与之偏振方向正交的S偏振或P偏振分量大部分将透射出介质光栅镜。因此，仅有P偏振或S偏振分量可以实现振荡。而介质光栅镜的圆对称结构，可使激光器输出径向或环向轴对称偏振光。光栅镜既可以是平面或凹面介质光栅镜，也可以是内轴锥金属光栅镜。只须保证光栅镜有高的反射率和较大的偏振选择特性。

如图10，11，12所示，内轴锥金属光栅镜24是在铜基底25上车出内轴锥。内轴锥的锥角为90°，且轴锥的轴线与锥外圆台26垂直，并与谐振腔光轴重合。光栅27刻于内轴锥面40上，垂直于内轴锥面40。光栅刻蚀线为圆环，并与轴锥同心。光栅刻蚀剖面为矩形。内轴锥金属光栅镜24的尺寸满足关系：φ_a＝φ_b+2*d。其中，φ_a为内轴锥金属光栅刻蚀区锥底的直径，φ_b为内轴锥金属光栅刻蚀区锥顶的直径，d为内轴锥金属光栅镜的刻蚀区深度。内轴锥金属光栅镜24同样可以装于光栅镜支架19上。将内轴锥金属光栅镜作为尾镜，激光相对于光栅以45°角入射。在特定的光栅参数(光栅周期A，光栅脊宽b，刻槽深度h)下，在某一过内轴锥轴线的入射面内，仅有P偏振或S偏振分量的激光可以几乎完全被反射，其反射率高于与之正交的S偏振或P偏振分量反射率10％以上，就具有很好的偏振选择性。因此，仅有P偏振或S偏振分量可以实现振荡。鉴于内轴锥金属光栅镜的轴对称性，同样可以得到径向或环向轴对称偏振光。

如图13所示，输出镜6为部分透过率镜，安装于支架19上。输出镜6可以通过支架19来冷却。

如图14，15所示，实例2为空间五折叠介质光栅镜谐振腔构成的激光器的结构，具体包括：介质光栅镜1、输出镜6，激光工作介质7、泵浦源8、转折镜32，33，34，35，36，37，38，39及角镜支架28，29，30，31。转折镜32，33安装在角镜支架28上，转折镜34，35安装在角镜支架29上，转折镜36，37安装在角镜支架30上，转折镜38，39安装在角镜支架31上。转折镜32，33，34，35，36，37，38，39的法线与光轴的夹角均为45°，各转折镜的中心与光轴重合。

转折镜32与33的法线位于同一平面内，转折镜36与37的法线也位于同一平面内，法线之间的夹角均为90°，这两个平面都平行于弧矢面。转折镜34与35的法线位于同一平面内，转折镜38与39的法线也位于同一平面内，法线之间的夹角均为90°，这两个平面都平行于子午面。转折镜32，33，34，35，36，37，38，39与光栅镜1和输出镜6组成的空间五折叠谐振腔同样消除了同一平面内排列的转折镜对轴对称偏振光的退偏影响。并且还增加了增益区的长度，提高了光束质量，有利于得到更高功率的径向或环向轴对称偏振光。

本发明中，转折镜的个数可以为4*N个，N＝1、2或3；4*N个转折镜在光路上位于全反镜和输出镜之间，且各转折镜的中心均位于激光谐振腔的光轴上。法线与子午面平行的转折镜个数跟法线与弧矢面平行的转折镜个数相等，其中，有2*N个转折镜的法线与子午面平行，且相邻两个转折镜法线之间的夹角为90°，其余2*N个转折镜的法线与弧矢面平行，相邻两个转折镜法线之间的夹角也为90°，且4*N个转折镜的法线与光轴的夹角均为45°。激光工作介质7可以是气体，固体或液体，它位于所有与全反镜垂直的折叠臂上。折叠臂是指折叠激光谐振腔内，光轴上，相邻两个镜体之间的空间。

事实上，本发明中，只要保证谐振腔以空间折叠的方式排布，法线平行于子午面和弧矢面的转折镜的个数相等，法线在同一平面内的两个转折镜的法线夹角为90°，并且采用具有高反射率和高偏振选择性的轴对称光栅镜作为全反镜或采用具有部分反射率和高偏振选择性的轴对称光栅镜作为输出镜，均能产生轴对称偏振光。

上述技术方案适用于不同输出波长、不同种类的激光器所需的谐振腔镜，其中，介质光栅镜应用范围广，可适用于远红外、近红外、甚至可见光波段的激光器。内轴锥金属光栅镜仅限于远红外输出波长的激光器。下面以输出波长为10.6微米的CO₂激光器为例，进一步详细地说明上述技术方案的具体实现过程。

实例1

如图16所示的介质光栅镜具体结构，基底和光栅区均采用砷化镓。φ₁为27.94毫米，φ₂为22.00毫米，φ₃为0.20毫米。多层介质膜的高折射率材料为硒化锌，低折射率材料为四氟化钍，多层介质膜的层数为5层。光栅的周期Λ为6微米，光栅脊宽b为3微米，改变光栅的深度h计算得到两种偏振光的反射率曲线，如图17所示。当光栅深度h在1.50微米附近的区间A内(h大于1.40微米小于1.75微米)取值时，正入射的P偏振分量的反射率超过99.0％，而正入射S偏振分量的反射率均小于53.54％。同样，当光栅深度h在3.30微米附近的区间B内(h大于3.25微米小于4.25微米)取值时，正入射的P偏振分量的反射率超过99.0％，而正入射S偏振分量的反射率均小于88.41％。可见，在光栅的深度取值在区域A、B中时，这种光栅镜结构既具有高的反射率同时具有优良的偏振选择性，适宜于作为激光谐振腔的尾镜产生径向偏振光。因此，在制作光栅的时候可以在区域A、B中优选光栅的深度，使其一方面达到尾镜的要求，另一方面偏振选择性强，并具有较大的制造公差范围。

实例2

如图13所示的内轴锥金属光栅镜结构，基底和光栅区均采用紫铜。φ_a为24.0毫米，φ_b为2.0毫米，b为11.0毫米。光栅的周期Λ为10微米，光栅脊宽b为5微米，改变光栅的深度h计算得到两种偏振光的反射率曲线，如图18所示。当光栅深度h在5.20微米附近的区间C内(h大于5.1微米小于5.3微米)取值时，金属光栅对45°入射的P偏振分量的反射率超过97.4％，于是内轴锥金属光栅镜对正入射的P偏振分量的反射率超过94.9％，而金属光栅对以45°入射S偏振分量的反射率均小于65.0％，于是内轴锥金属光栅镜对正入射的S偏振分量的反射率均小于42.3％。可见，在光栅的深度取值在区域C中时，这种光栅镜结构既具有较高的反射率同时具有优良的偏振选择性，适宜于作为高功率CO₂激光谐振腔的尾镜产生径向偏振光。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims

1.一种用于产生高功率轴对称偏振光的激光器，它包括全反镜、输出镜、激光工作介质和泵浦源，激光工作介质位于与所有与全反镜垂直的折叠臂上，泵浦源为射频泵浦源、半导体激光器泵浦源或闪光灯泵浦源，其特征在于，它还包括4*N个转折镜，N＝1、2或3；4*N个转折镜在光路上位于全反镜和输出镜之间，且各转折镜的中心均位于激光谐振腔的光轴上，其中，2*N个转折镜的法线与子午面平行，且相邻两个转折镜法线之间的夹角为90°，其余2*N个转折镜的法线与弧矢面平行，相邻两个转折镜法线之间夹角也为90°，且4*N个转折镜的法线与光轴的夹角均为45°。

2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，激光器谐振腔的全反射镜为偏振选择镜，偏振选择镜的中心位于激光谐振腔的光轴上，且镜面垂直于光轴，偏振选择镜的刻蚀线为圆环，光栅区刻蚀圆环宽度均匀分布，光栅的刻线剖面为矩形。

3.根据权利要求2所述的激光器，其特征在于，偏振选择镜为介质光栅镜。

4.根据权利要求3所述的激光器，其特征在于，介质光栅镜它包括介质光栅、多层介质膜和基底；介质光栅的刻线与基底同心，光栅镜刻蚀区的尺寸满足关系：φ₂＝φ₁-2*L，其中，φ₁为基底直径，φ₂为光栅刻蚀区圆环的直径，L为基底上未镀膜和未刻蚀光栅的圆环宽度；多层介质膜由高低折射率材料交替层叠而成；多层介质膜位于光栅和基底之间，光栅层厚度小于多层介质膜总厚度。

5.根据权利要求2所述的激光器，其特征在于，偏振选择镜为内轴锥金属光栅镜。

6.根据权利要求5所述的激光器，其特征在于，内轴锥金属光栅镜内轴锥的锥角为90°，且轴锥的轴线与锥外圆台垂直，并与谐振腔光轴重合，金属光栅刻于内轴锥面上，垂直于内轴锥面，金属光栅刻蚀线与轴锥同心，内轴锥金属光栅镜的尺寸满足关系：φ_a＝φ_b+2*d，其中，φ_a为内轴锥金属光栅刻蚀区锥底的直径，φ_b内轴锥金属光栅刻蚀区锥顶的直径，d为内轴锥金属光栅镜的刻蚀区高度。