CN102830500B - 光束偏振旋转装置及偏振旋转方法 - Google Patents

Abstract

一种用于激光系统的光束偏振旋转装置及偏振控制方法，该装置包括第一零相移反射镜、第二零相移反射镜和第三零相移反射镜，三块反射镜的中心构成一个等腰三角形的顶点，所述的第一零相移反射镜的反射面和第二零相移反射镜的反射面朝外且分别平分所述的等腰三角形的底角，所述的第三零相移反射镜与所述的第一零相移反射镜的中心和第二零相移反射镜的中心的连线的中垂线垂直，所述的第一零相移反射镜的中心和第二零相移反射镜的中心的连线构成该装置的参考光轴。本发明具有易于实现大口径、高损伤阈值、高信噪比等特点，能满足激光系统，尤其是大口径、超强、超短激光系统光束偏振控制的需求。

Description

光束偏振旋转装置及偏振旋转方法

技术领域

本发明涉及激光系统，特别是一种用于激光系统的光束偏振旋转装置及偏振旋转方法，尤其是一种能够满足大口径、超强、超短激光系统光束偏振控制需求的光束偏振旋转装置。

背景技术

偏振旋转装置在激光系统中得到了广泛应用，例如，谐振腔中Q值的改变、放大链内光脉冲的捕获与释放、光束透反射的转换等。作为激光系统的核心器件之一，其在激光种子源、放大链、测试系统、激光应用系统等各种场合都发挥着不可替代的作用。

目前，用于实现偏振旋转控制的主要器件是半波片。通过改变半波片快轴与入射光束偏振方向的夹角来改变出射光束的偏振方向。最常用的方式是半波片快轴与入射光束偏振方向的夹角成45度，出射光束偏振方向相比于入射光束的偏振方向改变90度。依靠半波片改变光束偏振方向虽然结构简单、调试方便，但受限于半波片本身特性，在许多应用中仍面临一些困难，例如可用口径有限，损伤阈值较低，对波长敏感，前后表面存在剩余反射等。这些都阻碍了其在激光系统，尤其是大口径、超强、超短激光系统中的应用。

发明内容

为了克服上述基于半波片的偏振控制器的上述缺点，本发明提供一种用于激光系统的光束偏振旋转装置及偏振控制方法，该装置具有易于实现大口径、高损伤阈值、高信噪比、宽适用带宽等特点，能满足激光系统，尤其是大口径、超强、超短激光系统光束偏振控制的需求。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于激光系统的光束偏振旋转装置，其特点是该装置包括第一零相移反射镜、第二零相移反射镜和第三零相移反射镜，上述元部件的位置关系如下：

所述的第一零相移反射镜、第二零相移反射镜和第三零相移反射镜同时垂直于第四平面，所述的第一零相移反射镜、第二零相移反射镜和第三零相移反射镜的中心构成一个等腰三角形的顶点，所述的第一零相移反射镜的反射面和第二零相移反射镜的反射面朝外且分别平分所述的等腰三角形的底角，所述的第三零相移反射镜与所述的第一零相移反射镜的中心和第二零相移反射镜的中心的连线的中垂线垂直，且第三零相移反射镜的反射面朝向所述的中心连线并与所述的中心连线平行，第三零相移反射镜的中心位于所述的中垂线上，所述的第一零相移反射镜的中心和第二零相移反射镜的中心的连线构成该装置的参考光轴。

利用上述光束偏振旋转装置对激光光束的偏振方向进行旋转控制的方法，其特点在于该方法包括如下步骤：

①将所述偏振旋转装置置于光路中，使所述的参考光轴与系统光轴重合；

②将所述偏振旋转装置作为一个整体，绕所述参考光轴旋转，使所述的第三零相移反射镜的镜面与入射光束的偏振方向平行，标记此时为0位；

③将所述偏振旋转装置作为一个整体，绕所述参考光轴旋转，当所述偏振旋转装置转动一个角度θ后，出射光束的偏振方向向相同的方向转动2θ的角度。

本发明的技术效果是：

1、本发明光束偏振旋转装置，利用平面全反射式器件，当入射光束沿本发明光束偏振旋转装置的参考光轴方向入射时，入射光束经第一零相移反射镜、第二零相移反射镜和第三零相移反射镜反射后输出的光束方向保持不变，当该装置绕所述的参考光轴旋转一个角度θ后，出射光束的偏振方向向相同的方向转动2θ的角度。在不改变输入光束方向及横向位置的前提下，可实现对光束偏振方向的任意旋转；

2、本发明可实现大口径、高损伤阈值、宽带宽、无剩余反射的光束偏振旋转功能，可有效地解决激光系统、尤其是大口径、超短、超强激光系统中光束偏振的旋转控制的问题，解决了用半波片的口径受限、损伤阈值受限、可用带宽受限、剩余反射降低信噪比等诸多问题。

附图说明

图1是本发明光束偏振旋转装置示意图

图中：101－参考光轴，102－第一零相移反射镜镜面与参考光轴的夹角ɑ，103－第一零相移反射镜，104－第一零相移反射镜和第二零相移反射镜的中心间距，105－第二零相移反射镜，106第二零相移反射镜镜面与参考光轴的夹角ɑ，107－出射光束，108－参考坐标系Y轴，109－参考坐标系X轴，110－第二零相移反射镜的法线，111－第三零相移反射镜中心到参考光轴101的距离，112－第三零相移反射镜，113－第三零相移反射镜的法线，114－第一零相移反射镜的法线，115－入射光束，116－所述光束偏振旋转装置整体绕参考光轴101旋转的旋转标记。

图2是本发明用于激光系统的光束偏振旋转装置对光束偏振方向旋转的光路示意图

图中：201－参考光轴，202－入射光偏振方向，203－入射光，204－参考坐标系Y轴，205－参考坐标系X轴，206－第三零相移反射镜法线与参考光轴Y轴夹角，207－出射光束，208－出射光束偏振方向，209－第二零相移反射镜法线，210－参考坐标系Z轴，211－第三零相移反射镜法线，212－第一零相移反射镜法线，213－所述光束偏振旋转装置整体绕参考光轴201旋转的旋转标记。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1和图2，图1是本发明光束偏振旋转装置示意图，图2是本发明利用光束偏振旋转装置对激光系统的光束偏振方向旋转的光路示意图，由图可见，本发明光束偏振旋转装置，包括第一零相移反射镜103、第二零相移反射镜105和第三零相移反射镜112，上述元部件的位置关系如下：

所述的第一零相移反射镜103、第二零相移反射镜105和第三零相移反射镜112同时垂直于第四平面，所述的第一零相移反射镜103、第二零相移反射镜105和第三零相移反射镜112的中心构成一个等腰三角形的顶点，所述的第一零相移反射镜103的反射面和第二零相移反射镜105的反射面朝外且分别平分所述的等腰三角形的所在的底角，所述的第三零相移反射镜112与所述的第一零相移反射镜103的中心和第二零相移反射镜105的中心的连线的中垂线垂直，且第三零相移反射镜112的反射面朝向所述的中心连线并与所述的中心连线平行，第三零相移反射镜112的中心位于所述的中垂线上，所述的第一零相移反射镜103的中心和第二零相移反射镜105的中心的连线构成该装置的参考光轴101。

利用所述的光束偏振旋转装置对激光光束的偏振方向进行旋转控制的方法，包括如下步骤：

①将所述偏振旋转装置置于光路中，使所述的参考光轴101与系统光轴201重合；

②将所述偏振旋转装置作为一个整体，绕所述参考光轴101旋转，使所述的第三零相移反射镜112的镜面与入射光束203的偏振方向202平行，标记此时为0位；

③将所述偏振旋转装置作为一个整体，绕所述参考光轴101旋转，当所述偏振旋转装置转动一个角度θ206后，出射光束207的偏振方向208向相同的方向转动2θ的角度。

换一句话说，本发明光束偏振旋转装置，包括第一零相移反射镜103、第二零相移反射镜105和第三零相移反射镜112，上述三块反射镜的位置关系如下：

在参考光轴101的光轴方向放置两块第一零相移反射镜103、第二零相移反射镜105，使其各自中心位于参考光轴101的光轴上，并使经过第一零相移反射镜103的中心114、第二零相移反射镜105的中心110位于参考坐标Y轴108和参考坐标X轴109构成的水平面内，两块第一零相移反射镜103、第二零相移反射镜105各自的法线114、110与参考光轴101的夹角相等，两块反射镜103、105镜的反射面向外(指定：两块反射镜之间为“内”)；

在上述两块反射镜103、105中心连线的垂直平分线上，位于所述两块反射镜镜面朝向的一侧，放置第三零相移反射镜112，并使其中心位于所述的垂直平分线上，经过该第三零相移反射镜镜面中心的法线113与上述中分线重合，该第三零相移反射镜112镜面朝向上述前两块反射镜103、105的方向；

所述第三零相移反射镜112中心到参考光轴101的间距除以所述前两块反射镜103、105中心距离104的一半所得值应与第一零相移反射镜103镜面与参考光轴101夹角102的2倍角的正切值相等。

本发明的特点是：

1、利用三块零相移全反镜103、105、112，在不改变输入光束101方向及横向位置的前提下，实现了对输出光束偏振方向208的任意旋转；

2、所述的全反射式光束偏振旋转装置可以实现大口径、高损伤阈值、宽带宽、无剩余反射的光束偏振旋转功能，其有效解决了激光系统、尤其是大口径、超短、超强激光系统中，用于实现偏振旋转的半波片的口径受限、损伤阈值受限、可用带宽受限、剩余反射降低信噪比等诸多问题。

利用所述的用于激光系统的光束偏振旋转装置对激光光束的偏振方向控制的方法，特征在于包括如下步骤：

①将所述偏振旋转装置置于光路中，使其参考光轴101与系统光轴201重合；

②将所述偏振旋转装置作为一个整体，绕所述参考光轴101旋转，使所述第三零相移反射镜112的镜面与入射光束203的偏振方向202平行，标记此时为0位；

③将所述偏振旋转装置作为一个整体，绕所述参考光轴101旋转，当所述偏振旋转装置转动一个角度θ206后，出射光束的偏振方向208向相同的方向转动2θ的角度。

用三块反射镜实现光束偏振旋转的主要原理如下：

光束经过反射镜反射后的偏振旋转状态可用矩阵形式的反射定律描述：

I′＝RgI    (1)

式中，I为入射向量矩阵，I’为出射向量矩阵，R为反射矩阵。

$R=\left(\begin{array}{ccc}1-{2N}_x^2& -2N_x{N}_y& -{2N}_x{N}_z\\ -{2N}_y{N}_x& 1-2N_y^2& -2N_y{N}_z\\ -2N_z{N}_x& -2N_z{N}_y& 1-2N_z^2\end{array}\right),---\left(2\right)$

其中：N＝(N_x N_y N_z)'表示反射镜法线向量。对于光束依次经过三块反射镜反射，其反射定律的矩阵形式可表示为：

I′＝R₃gR₂gR₁gI    (3)

其中：R₁、R₂和R₃分别表示光束依次经过的反射镜的反射矩阵。当三块反射镜的法线都位于参考坐标面XOY面内时(如图1所示)，其各自对应的法线向量可表示为：

N₁＝(-sin(α₁) -cos(α₁) 0)，N₂＝(0 1 0)，N₃＝(sin(α₃) -cos(α₃) 0)    (4)

其中α_i(i＝1,3)表示各自反射镜镜面与参考光轴的夹角。三块反射镜各自对应的反射矩阵为

$R_1=\left(\begin{array}{ccc}\cos \left({2\mathrm{\α}}_1\right)& -\sin \left({2\mathrm{\α}}_1\right)& 0\\ -\sin \left({2\mathrm{\α}}_1\right)& -\cos \left({2\mathrm{\α}}_1\right)& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)---\left(5.1\right)$

$R_2=\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& -1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)---\left(5.2\right)$

$R_3=\left(\begin{array}{ccc}\cos \left({2\mathrm{\α}}_3\right)& \sin \left({2\mathrm{\α}}_3\right)& 0\\ \sin \left({2\mathrm{\α}}_3\right)& -\cos \left({2\mathrm{\α}}_3\right)& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)---\left(5.3\right)$

由该三块反射镜构成的偏振旋转装置的总的反射矩阵可表示为

R＝R₃gR₂gR₁    (6)

当反射镜103、105各自与参考光轴的夹角相等，即α₁＝α₃，时，通过化简可得

$R=R_3\×R_2\×R_1=\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& -1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right).---\left(7\right)$

将入射光束的偏振方向视为位于YOZ面(垂直于图1中108、109构成的参考平面)内的一个单位向量，其与108、109构成的参考平面的夹角为θ，该单位向量可表示为

I＝(0 cos(θ) sin(θ))′    (8)

其经过所述三块反射镜构成的偏振旋转装置后的出射向量变为

$I^{\′}=R\×I=\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& -1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}0\\ \cos \left(\mathrm{\θ}\right)\\ \sin \left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}0\\ -\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\\ \sin \left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right).---\left(9\right)$

如果将入射光束的偏振方向202和参考光轴201所构成的平面视为参考平面，即可认为所述的由三块反射镜构成的偏振旋转装置整体相对于该面，绕参考光轴201转动了θ角206，此时，其出射光束的偏振方向朝相同的方向转动了2θ角。

总之，由三块反射镜构成的偏振旋转装置通过整体绕参考光轴201旋转可实现对激光光束偏振方向的控制，其偏振方向改变量为所述整体转动角度θ206的两倍。针对最常用的需要将激光光束偏振方向旋转90度的情况，只需将所述整体转动角度θ设为45度即可。

Claims (2)

1.一种用于激光系统的光束偏振旋转装置，其特征是该装置包括第一零相移反射镜(103)、第二零相移反射镜(105)和第三零相移反射镜(112)，上述元部件的位置关系如下：

所述的第一零相移反射镜(103)、第二零相移反射镜(105)和第三零相移反射镜(112)同时垂直于第四平面，所述的第一零相移反射镜(103)、第二零相移反射镜(105)和第三零相移反射镜(112)的中心构成一个等腰三角形的顶点，所述的第一零相移反射镜(103)的反射面和第二零相移反射镜(105)的反射面朝外且分别平分所述的等腰三角形的底角，所述的第三零相移反射镜(112)与所述的第一零相移反射镜(103)的中心和第二零相移反射镜(105)的中心的连线的中垂线垂直，且第三零相移反射镜(112)的反射面朝向所述的中心连线并与所述的中心连线平行，第三零相移反射镜(112)的中心位于所述的中垂线上，所述的第一零相移反射镜(103)的中心和第二零相移反射镜(105)的中心的连线构成该装置的参考光轴(101)。

2.利用权利要求1所述的用于激光系统的光束偏振旋转装置对激光光束的偏振方向进行旋转控制的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

①将所述光束偏振旋转装置置于光路中，使所述的参考光轴(101)与系统光轴(201)重合；

②将所述偏振旋转装置作为一个整体，绕所述参考光轴(101)旋转，使所述的第三零相移反射镜(112)的镜面与入射光束(203)的偏振方向(202)平行，标记此时为0位；

③将所述偏振旋转装置作为一个整体，绕所述参考光轴(101)旋转，当所述偏振旋转装置转动一个角度θ(206)后，出射光束(207)的偏振方向(208)向相同的方向转动2θ的角度。