CN102593696A - 一种双波片双折射补偿谐振腔 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的双棒串接双折射补偿谐振腔属于激光技术。现有补偿技术是将旋转器置于两个激光棒间，激光棒产生的双折射效应被另一个激光棒补偿，补偿效果不理想。本发明由两个内含激光棒的半导体侧面泵浦模块、一块凹面输出镜、一块凹面全反镜、两块四分之一波片组成。两个模块内激光棒主面分别与输出镜、全反镜的焦点重合。一块四分之一波片置于输出镜与泵浦模块间，另一块四分之一波片置于全反镜与泵浦模块间。激光通过激光棒、波片，经腔镜反射再次通过激光棒、波片，此过程中激光棒产生的双折射效应被其本身补偿了。两个激光棒各自补偿了自身产生的双折射效应。本发明结构简单，补偿效果好，易于获得高功率、高光束质量激光输出。

Description

一种双波片双折射补偿谐振腔

技术领域

本发明涉及一种双波片双折射补偿谐振腔，用于固体激光器，实现高功率、高光束质量激光输出，属于固体激光器领域。

背景技术

双棒串接腔技术是获得高功率、高光束质量激光输出的重要手段。运用双棒串接腔技术的激光器相较于传统单棒激光器能成倍增加激光输出，而不显著降低输出激光的光束质量。多棒串接腔技术产生的高功率、高光束质量激光广泛地应用在材料加工(焊接、切割)、非线性光学(二次谐波产生SHG、光学参量震荡OPO)等诸多领域。双棒串接腔技术有较强的实际应用价值。但热致双折射效应影响了双棒串接腔的输出功率和光束质量。

激光器运转过程中，激光棒内部产生热量，表面通水冷却，致使激光棒内部存在温度梯度场，进而造成激光棒两正交偏振态折射率的改变，即产生热致双折射效应。激光棒径向和切向折射率产生差值。光线通过激光棒会使得径向偏振光与切向偏振光之间产生位相差，激光的偏振态发生了改变，最终导致了光束质量降低、输出功率减弱。为获得高功率、高光束质量激光输出需要降低热致双折射效应对激光器的影响，即对双折射效应进行补偿。双折射补偿目标是使得激光棒横截面上任意点的径向和切向偏振光都获得相等的相位延迟。这可以通过交换径向和切向偏振分量来实现。双棒间插入90°旋转器可以补偿激光棒的双折射效应。含90°旋转器补偿结构中，由第一个棒产生的相位延迟在光束通过第二个棒后得以抵消，使得两偏振光获得相同的相位延迟。此种补偿方式要求两个激光棒具有相同的热效应，且激光在两个激光棒内的传播路径完全相同。实际应用过程中，激光棒的热效应存在差异，需找两个热效应一致的激光棒存在一定的难度。激光棒受热后会产生热透镜效应和双聚焦效应，激光的传播路径因此会发生改变，则两激光棒内的传播路径也不相同。此种双折射补偿方法实际补偿效果不佳。因此需要找到高效的热致双折射补偿方法以满足特定行业对高功率、高光束质量激光的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种补偿双折射效应的双棒串接谐振腔。此种双波片双折射补偿谐振腔由一个凹面输出镜、一个凹面全反镜、两块四分之一波片及两个激光棒组成。其中，两个激光棒的材质和掺杂浓度相同，且放置于相同型号的半导体侧面泵浦模块内。双棒串接腔器件摆放顺序为输出镜、激光棒、激光棒、全反镜。四分之一波片放置于谐振腔腔镜与激光棒之间，用于补偿临近激光棒产生的双折射效应。输出镜曲面朝向激光棒摆放，且中心到临近激光棒左主面的距离等于输出镜的曲率半径。全反镜曲面朝向激光棒摆放，且曲面中心到临近激光棒右主面的距离等于全反镜的曲率半径。激光器运转过程中时，两个泵浦模块配套电源需要同步开启、关闭，注入电流的电压值、电流值也须一致。

本发明的特点是腔内放置了两个激光棒，输出功率成倍增加；双波片结构是为了分别补偿两个半导体侧面泵浦模块产生的双折射效应，降低了激光棒选取的难度，利于模块的选取，提高了输出激光的光束质量和功率。

附图说明

图1是本发明谐振腔的示意图；

图2是本发明左端补偿结构示意图；

图3是本发明右端补偿结构示意图。

图中：1、输出镜；2、四分之一波片；3、激光棒；4、激光棒；5、四分之一波片；6、全反镜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例详细描述本发明。

如图1，本发明双波片双折射补偿谐振腔包含两个激光棒3、4，两块四分之一波片2、5，一个凹面输出镜1，一个凹面全反镜6。激光棒3、4为直径3mm、长度65mm的Nd:YA6晶体棒，其外部半导体泵浦模块最大泵浦功率为180W。输出镜1是一个圆片状凹面镜，曲率半径为20cm，凹面镀1064nm增透膜，透过率为20％，平面不镀膜。全反镜6也是一个圆片状凹面镜，曲率半径同为20cm，凹面镀1064nm全反膜，透过率大于99.9％，平面不镀膜。四分之一波片2、5是直径1cm的圆形薄片。激光棒3、4相邻放置，调整相对高度和俯仰角度，使得激光棒3和4中轴线重合。

如图2，输出镜1放置在激光棒3的左侧，镀增透膜一面朝向激光棒3。为使得四分之一波片2能充分补偿激光棒3产生的热致双折射效应，激光棒3的主面经输出镜1反射后应1∶1成像于激光棒3的主面上。由几何光学传播规律可知，输出镜1曲面中心到激光棒3左主面的距离d₁由公式(1)决定：

d₁＝ρ₁                        (1)

式中：ρ₁为输出镜1的曲率半径20cm。输出镜1曲面中心距Nd:YA6晶体棒左主面20cm。激光棒3被等效为一块透镜和一段各向同性介质。透镜的主面到激光棒3端面的距离由公式(2)决定：

d′＝l/2n                      (2)

式中：l为激光棒长度65mm，n为Nd:YA6晶体棒的折射率1.82。激光棒3左主面距离左端面18mm。输出镜1摆放在距激光棒3左端面18.2cm处。四分之一波片2置于输出镜1和激光棒3之间。分别调整输出镜1、四分之一波片2的高度和俯仰角度使得输出镜1和四分之一波片2的中心与激光棒3、4处于同一水平线上。从谐振腔中间开始，激光首先穿过激光棒3，因双折射效应两个偏振分量间产生了相位差。激光通过四分之一波片2，被输出镜1反射，再次通过四分之一波片2后，偏振态进行了交换，最后通过激光棒3。此时两个偏振分量获得相同的相位延迟，激光棒3产生的双折射效应得到了补偿。

如图3，全反镜6放置在激光棒4的右侧，镀膜一面朝向激光棒4。为获得最佳补偿效果，激光棒4的主面经全反镜6反射后应1∶1成像于激光棒4的主面上，则激光棒4的右主面到全反镜6曲面中心的距离等于全反镜6的曲率半径，即

d₂＝ρ₂                (3)

其中，ρ₂为全反镜6的曲率半径20cm。全反镜6曲率中心与激光棒4右主面的距离为20cm。由公式(2)，激光棒4右主面与右端面的距离为18mm，则全反镜6摆放在距激光棒4右端面18.2cm处。四分之一波片5摆放在全反镜6和激光棒4之间。调整全反镜6、四分之一波片5的高度和俯仰角度使得所有器件中心处于同一水平线上。从谐振腔中心开始，激光向右侧传播，首先穿过激光棒4，由于双折射效应两个偏振分量间产生相位差。激光通过四分之一波片5，经全反镜6反射，再次通过四分之一波片5后，输出激光的两偏振态进行了交换。激光最后通过激光棒4。此时两个偏振分量获得相同的相位延迟，激光棒4产生的双折射效应被四分之一波片5补偿了。

如图1，两块四分之一波片2、5分别放置于输出镜1、全反镜6与激光棒3、4间。两个激光棒3、4的补偿作用是相互独立的，因此两个激光棒3、4不需具备完全相同的热效应。激光棒的热透镜和双光聚焦效应不影响双折射补偿效果。双波片双折射补偿谐振腔运作过程中，激光棒3和4的泵浦模块需要同时开启、关闭，注入电流也要求一致。调节两个泵浦模块电源上电流旋钮得到相同的示数值。同时按下工作按钮，双波片双折射补偿谐振腔工作。

Claims (5)

1.一种双波片双折射补偿谐振腔，包括一块凹面输出镜(1)、一块凹面全反镜(6)、两个激光棒(3、4)、两个四分之一波片(2、5)，其特征是：两个半导体侧面泵浦模块中激光二极管阵列排布方式及输出功率要相同，激光棒的材质、掺杂浓度和尺寸要相同。

2.根据权利要求1所述的一种双波片双折射补偿谐振腔，其特征是：四分之一波片(2)置于输出镜(1)与激光棒(3)之间，另一块四分之一波片(5)置于全反镜(6)与半导体侧面泵浦模块(4)之间。

3.根据权利要求2所述的一种双棒串接双折射补偿激光谐振腔，其特征是：输出镜(1)到激光棒(3)左主面的距离d₁由下式决定：

d₁＝ρ₁

式中有关输出镜的参数的含义：ρ₁为输出镜(1)的曲率半径，并且激光棒主面到端面的距离d′：

d′＝l/2n

式中有关激光棒的参数的含义：l为激光棒长度，n为激光工作介质折射率。

4.根据权利要求3所述的一种双波片双折射补偿谐振腔，其特征是：全反镜(6)到激光棒(4)右主面的距离d₂由下式决定：

d₂＝ρ₂

式中有关输出镜的参数的含义：ρ₂为全反镜(6)的曲率半径。

5.根据权利要求4所述的一种双波片双折射补偿谐振腔，其特征是：激光器运转过程中时，两个棒(3、4)外的泵浦模块配套电源需要同步开启、关闭，注入电流的电压值、电流值也须一致。

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