CN104701726A - 基于内腔双折射晶体走离效应的柱矢量脉冲激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于内腔双折射晶体走离效应的柱矢量脉冲激光器，包括泵浦源，沿该泵浦源的发射光光路依次是前端面镀有激光器发射光束波长高反膜的双折射晶体、腔内透镜和后端面镀有发射波长部分反射膜的可饱和吸收体。本发明将双折射晶体的偏振选择作用与可饱和吸收体的被动调Q技术结合起来，通过固体激光器振荡，直接输出高峰值功率的柱矢量脉冲，通过腔内单透镜成像系统将走离后的径向偏振分量或切向偏振分量聚焦于可饱和吸收体，有利于可饱和吸收体达到饱和，形成径向偏振或切向偏振的脉冲输出，简化了固体激光器结构，且各组成元件成本低廉，获得的激光效率高，光束质量好。

Description

基于内腔双折射晶体走离效应的柱矢量脉冲激光器

技术领域

本发明涉及激光器的技术领域，尤其涉及一种基于内腔双折射晶体走离效应的柱矢量脉冲激光器。

背景技术

柱矢量偏振光束的光强和偏振态都呈轴对称分布。径向偏振光束和切向偏振光束是两种最常见的柱矢量偏振光束。径向偏振光束中各点的偏振方向沿半径方向分布，而切向偏振光束中各点的偏振方向沿垂直于半径的方向分布，如图1所示。高数值孔径透镜聚焦柱矢量偏振光束时能得到更小的聚焦点，可以用于高分辨率成像。另外，柱矢量偏振光束在电子加速、激光微操作、激光金属加工等领域也有着广泛的应用前景。

目前产生径向偏振或切向偏振光束主要有两种方法。一种方法是在激光器谐振腔外将线偏振光或其他形式偏振光转换为径向偏振光或切向偏振光，典型的激光器谐振腔外获得径向偏振光或切向偏振光的方法有干涉叠加法，波片空间变换延迟法，基于旋光效应的螺旋渐变相位延迟器以及液晶偏振转换法等。这些激光器谐振腔外转换的方法普遍存在着光束质量差、装置复杂等缺陷。因此，直接在激光器输出径向偏振光束或切向偏振光束的主动方法成为了近年来的研究热点，主动方法得到的径向偏振光束或切向偏振光束的偏振纯度和光束质量一般都较高。

主动方法产生径向偏振模式的基本思路是在腔内引入对s型偏振光损耗较大，而对p型偏振光损耗很小的光学器件，使腔内s型偏振损耗过高而无法起振，仅使p型偏振光在腔内满足激光振荡条件，从而获得径向偏振激光。而主动方法产生切向偏振模式的思路则正好相反，在腔内抑制p型偏振光的振荡，仅使s型偏振光在腔内满足激光振荡条件。主动方法获得径向偏振或切向偏振光束，需要在激光器谐振腔内插入矢量偏振的选择器件，有代表性的腔内器件为具有双折射特性的晶体，如c切双折射晶体YVO₄和方解石晶体等。以双折射晶体作为激光器谐振腔内选模元件的激光器结构简单，元件成本低，且对选模功率区间没有要求，因而不会对输出的柱矢量光束功率产生限制。

虽然柱矢量偏振光束在材料加工等领域有巨大应用前景，但其应用仍受到一定限制。这是因为只有很高的峰值功率才可以达到材料(尤其是金属材料)的消熔阈值，这就带来了对具有高峰值功率的柱矢量脉冲激光光束的需求。调Q技术是一种常用的获得高峰值功率(千瓦至兆瓦级)、短脉宽(纳秒级，甚至皮秒)的激光脉冲技术。其主体思想是将全部光辐射集中在较短的时间内发射，从而产生脉冲输出。在激光器中加入调Q元件(又称Q开关)即构成脉冲输出的调Q激光器。根据能否人为控制Q开关的延迟时间，可以将调Q技术分为主动调Q技术和被动调Q技术。其中主动调Q主要利用电光器件、声光器件以及机械器件来实现Q值的突变，包括转镜调Q、电光调Q和声光调Q。而被动Q开关是利用有机染料、气体、半导体器件、掺杂晶体等材料对激光波长的非线性吸收特性控制激光器谐振腔内损耗，实现激光器谐振腔Q值的突变。主动Q开关需要外加调制器的控制，不利于产业化发展。而被动Q开关是自身启动的，不需要引入外部信号来产生脉冲，且成本低廉，体积小，因而被动Q开关具有广泛的研究与开发前景。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于内腔双折射晶体走离效应的柱矢量脉冲激光器，将双折射晶体的偏振选择作用与可饱和吸收体的被动调Q技术结合起来，通过固体激光器振荡，直接输出高峰值功率的柱矢量脉冲。因为双折射晶体的走离效应，激光器谐振腔内光场的径向偏振分量或切向偏振分量发生空间分离。通过腔内单透镜成像系统将走离后的径向偏振分量或切向偏振分量聚焦于可饱和吸收体，有利于可饱和吸收体达到饱和，形成径向偏振或切向偏振的脉冲输出。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于内腔双折射晶体走离效应的柱矢量脉冲激光器，其特点在于，包括泵浦源，沿该泵浦源的发射光光路依次是前端面镀有激光器发射光束波长高反膜的双折射晶体、腔内透镜和后端面镀有发射波长部分反射膜的可饱和吸收体，由所述的双折射晶体前端面到可饱和吸收体的后端面之间构成激光器谐振腔。

所述的双折射晶体掺杂一定浓度的激活离子作为产生激光输出所需的激光器增益介质，该双折射晶体是YVO₄或GdVO₄，掺杂离子是Nd³⁺、Yb³⁺、或Er³⁺三价稀土元素离子。

所述的泵浦源采用端面泵浦或侧向泵浦。

所述的腔内透镜在激光器谐振腔内沿光轴移动：

当所述的腔内透镜到所述的双折射晶体前端面距离为时，在可饱和吸收体后面得到切向偏振脉冲激光输出；

当所述的腔内透镜到所述的双折射晶体前端面距离为时，在可饱和吸收体后面得到径向偏振脉冲激光输出；

式中，L为激光器谐振腔长度，f为腔内透镜焦距，D为双折射晶体厚度，d_o和d_e分别为从双折射晶体中出射的o光e光与光轴交点相对于没有双折射晶体时入射光束与光轴交点之间的距离。

本发明原理如下：

一束单色光以一定的角度入射双折射晶体，除特殊角度以外，都会分解为两束沿不同方向折射的光束，它们为振动方向互相垂直的线偏振光，这就是双折射现象。这两束偏振方向相互垂直的线偏振光就是o光(寻常光)和e光(异常光)，o光在双折射晶体中的传播路径与光线在各向同性介质(比如玻璃)传播路径一致，而e光的传播路径相对于光线在各向同性介质传播路径发生偏折。对于双折射晶体YVO₄，o光具有更大的折射角，因此o光与光轴交点到入射光与光轴交点的距离比e光与光轴交点到入射光与光轴交点的距离小。在激光器谐振腔中，如果各组成元件具有中心轴对称性，则经过放置在激光谐振腔光轴上的双折射晶体的光线，其折射的o光和e光均相对于光轴成轴对称分布，分别对应于切向偏振和径向偏振。利用掺杂激活离子的双折射晶体作为激光器增益介质，适当选择谐振腔参数以及腔内透镜到双折射晶体前端面的距离，使激光器谐振腔内仅o光能经过腔内透镜会聚到可饱和吸收体，而e光因为无法经过腔内透镜会聚到可饱和吸收体，损耗过大，这样仅有o光形成振荡，从而实现切向偏振脉冲输出。如果增大腔内透镜到双折射晶体前端面的距离，使激光器谐振腔内仅e光能经过腔内透镜会聚到可饱和吸收体，而o光因为无法经过腔内透镜会聚到可饱和吸收体，损耗过大，这样仅有e光形成振荡，从而实现径向偏振脉冲输出。

向激光器谐振腔内引入可饱和吸收体，利用其快速可饱和吸收特性引发光波的自调制，即透过率随光强的增加而增加的特性，光强较强的部分通过可饱和吸收体时损耗小、透过率高，光强较弱的部分通过可饱和吸收体时损耗大、透过率低，从而产生被动调Q激光脉冲输出。本发明给出的激光器谐振腔内光场经腔内透镜会聚到可饱和吸收体中，更利于调Q输出。

所述的双折射晶体能够产生空间走离效应，以结合腔内透镜实现对所需柱矢量激光输出的选择。所述的双折射晶体应掺杂一定浓度的激活离子作为增益介质，从而在泵浦源激励下实现能级跃迁产生激光输出。所述双折射晶体应在前端面(图2左端面)上镀激光器发射光束波长的高反膜，以使双折射晶体前端面为激光器谐振腔的前腔镜。所述双折射晶体光轴应与激光器谐振腔光轴平行。

所述的泵浦源为向双折射晶体提供能量以实现激活离子的粒子数反转，激发激活离子向高能级跃迁。所述泵浦源的波长应与双折射晶体掺杂的激活离子的吸收谱带极大位置处的波长一致或相近，以获得较高的泵浦源能量吸收效率。所述的泵浦源可以采用端面泵浦也可以采用侧向泵浦。

所述的腔内透镜通过改变到双折射晶体前端面的距离对激光输出模式加以选择，得到径向偏振或切向偏振的脉冲输出。

所述的可饱和吸收体为被动调Q元件，其吸收系数随光强增加而下降。所述的可饱和吸收体后端面镀有激光器发射光束波长部分反射膜，用作输出耦合镜使用，将激光器产生的激光一部分耦合输出，另一部分反射回激光器谐振腔内维持激光振荡。所述可饱和吸收体可以是Cr⁴⁺：YAG，半导体可饱和吸收镜(SESAM)中的一种。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)将双折射晶体的走离效应与可饱和吸收体的被动调Q技术结合起来并应用于固体激光器中，通过固体激光器振荡，直接输出高峰值功率的柱矢量脉冲。

2)简化了固体激光器结构，且各组成元件成本低廉，获得的激光效率高，光束质量好。

附图说明

图1为柱矢量偏振光束的偏振分布示意图，其中箭头表示偏振方向。1(a)表示径向偏振光束，1(b)表示切向偏振光束。

图2为本发明的含腔内透镜的径向偏振激光器的示意图。大箭头表示泵浦源方向。实线表示能够形成振荡的光场偏振分量在激光器谐振腔内以及输出激光的轨迹。虚线表示损耗过大不能形成振荡的光场偏振分量在谐振腔内的轨迹。

图3为含腔内理想透镜的平行平面腔模型的示意图。

图4为含腔内理想透镜的平行平面腔模型中M₁和M₂分别为腔内透镜物像共轭面情况下的腔内光场轨迹示意图。

图5为双折射晶体YVO₄对任意角度入射光束的折射示意图。其中入射光线从右上方进入双折射晶体。

图6为合理参数下激光器中只存在e光振荡的双折射晶体内部光场轨迹示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图2为本发明的含腔内透镜的径向偏振激光器的示意图，如图所示，一种基于内腔双折射晶体走离效应的柱矢量脉冲激光器包括四个部分，沿光路方向依次为：泵浦源1、前端面镀有发射光束波长高反膜的双折射晶体2、腔内透镜3和后端面镀有发射光束波长部分反射膜的可饱和吸收体4。其中双折射晶体应掺杂激活离子作为激光器增益介质。从双折射晶体前端面到可饱和吸收体后端面之间的三个部分共同组成激光器谐振腔。

首先考虑仅含腔内理想透镜的平行平面腔，此即为激光器理论中热透镜效应的激光器谐振腔模型，如图3所示。激光器谐振腔由双折射晶体前端面M₁、可饱和吸收体后端面M₂以及腔内理想透镜组成。假设腔内理想透镜焦距为f，且到双折射晶体前端面M₁、可饱和吸收体后端面M₂之间的距离分别为d₁、d₂。根据ABCD矩阵理论，图3所示模型对应的单程传输矩阵为：

$\left(\begin{array}{cc}{A}_1& B_1\\ C_1& D_1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}1-d_2/f& d_1+d_2-d_1{d}_2/f\\ -1/f& 1-d_1/f\end{array}\right)---\left(1\right)$

光场在激光器谐振腔内往返一周的传输矩阵为：

$\left(\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}2A_1{D}_1-1& 2B_1{D}_1\\ 2A_1{C}_1& 2A_1{D}_1-1\end{array}\right)---\left(2\right)$

激光器谐振腔稳定的条件是：

-1＜(A+D)/2＜1   (3)

对于激光器谐振腔长度L及腔内理想透镜焦距f恒定的谐振腔，腔内理想透镜到双折射晶体前端面M₁之间距离d₁的取值范围为：

$f<d_1<L/2-\sqrt{L^2-4\mathrm{fL}}/2---\left(4\right)$

即激光器谐振腔长度和腔内透镜焦距恒定的激光器谐振腔，腔内透镜到双折射晶体前端面之间距离d₁在(4)式给出的范围内时，均有激光输出。实际情况中非理想腔内透镜的球差有利于改变输出光束的横向模式，且能得到高阶拉盖尔-高斯模式(参见Laser PhysicsLetters,2010,7(9):637-643.)。特别地，在腔内理想透镜到双折射晶体前端面M₁之间距离的位置M₁和M₂分别为腔内透镜的物像共轭面，对应图4所示的光路形式。这种情况下激光器谐振腔内光场会聚在可饱和吸收体上，更有利于可饱和吸收体的吸收。

接下来考虑双折射晶体的走离效应。以常用的掺杂Nd³⁺离子的YVO₄双折射晶体(记为Nd³⁺：YVO₄)为例，其寻常光(o光)和非寻常光(e光)折射率大小关系为：

n_o＜n_e   (5)

若e光的波法线方向与双折射晶体的光轴c夹角为θ_e，则e光在双折射晶体中传播时所对应的折射率为：

$n_e\left({\mathrm{\&theta;}}_e\right)=\frac{n_o{n}_e}{\sqrt{n_o^2{\sin }^2{\mathrm{\&theta;}}_e+n_e^2{\cos }^2{\mathrm{\&theta;}}_e}}---\left(6\right)$

对于厚度为D的Nd³⁺：YVO₄双折射晶体，沿其垂直于光轴的端面以θ₁角入射的光线，经过双折射晶体后，o光e光分离出射，如图5所示。相对于没有双折射晶体而言，从双折射晶体中出射的o光e光在光轴上的偏移d_o、d_e分别为(参见Japanese Journal of AppliedPhysics,2007,46(8A):5160-5163.)：

$d_o=D(1-\frac{n_1}{n_o})---\left(7\right)$

$d_e=D(1-n_1{n}_o/n_e^2)---\left(8\right)$

其中n₁为入射介质的折射率，这里入射介质是空气，n₁近似为1。

考虑到激光器谐振腔中Nd³⁺：YVO₄双折射晶体的e光具有径向偏振特性，o光具有切向偏振特性，结合对激光器谐振腔稳定性的判断，e光在d₁＝d_1e时恰好经腔内透镜会聚到可饱和吸收体上，此时e光具有最小损耗。其中d_1e的值为：

$d_{1e}=L/2-\sqrt{L^2-4\mathrm{fL}}/2+d_e-D---\left(9\right)$

o光在d₁＝d_1o时恰好经腔内透镜会聚到可饱和吸收体上，此时o光具有最小损耗。其中d_1o的值为：

$d_{1o}=L/2-\sqrt{L^2-4\mathrm{fL}}/2+d_o-D---\left(10\right)$

d_1e与d_1o之间的大小差Δ为：

$\mathrm{\&Delta;}=d_{1e}-d_{1o}=D(\frac{n_1}{n_o}-\frac{n_1{n}_o}{n_e^2})---\left(11\right)$

由于Δ恒大于0，激光器谐振腔内o光与e光不可能同时会聚到可饱和吸收体上，因此可以输出径向偏振或切向偏振的柱矢量光束。

对于常见的厚度在毫米量级的Nd³⁺：YVO₄双折射晶体，Δ的值仅有1毫米左右。因此通过合理选择f和D的取值，只要腔内透镜在激光器谐振腔内进行毫米量级的移动，便可以使输出激光偏振状态在径向偏振和切向偏振之间转换。当腔内透镜到双折射晶体前端面的距离为d₁＝d_1o时，激光器谐振腔内e光损耗远大于o光损耗，只有o光形成激光振荡，输出激光模式为切向偏振。当腔内透镜到双折射晶体前端面的距离为d₁＝d_1e时，激光器谐振腔内o光损耗远大于e光损耗，只有e光形成激光振荡，输出激光模式为径向偏振。输出径向偏振脉冲激光时双折射晶体内部光路示意图如图6所示。

最后考虑可饱和吸收体调Q原理。可饱和吸收体对信号光的吸收系数可表示为：

α_s＝α₀/(1+I/I_s)   (12)

式中α₀表示激光波长中心频率的小信号吸收系数，I和I_s分别表示入射光强和可饱和吸收体的饱和光强。

可饱和吸收体随着光场强度的增大而变得透明起来。在光场强度达到某一很高的值时，可饱和吸收体就会“饱和”或“漂白”，产生很高的透射率。泵浦初期，激光器谐振腔内自发的荧光辐射光强很弱，可饱和吸收体的吸收系数很大，对光的透过率很低，激光器谐振腔处于高损耗低Q值状态，不能形成激光振荡，可饱和吸收体处于储能阶段。随着泵浦源的继续作用，激光器谐振腔内荧光强度逐渐增强，当I与I_s大小相比拟时，可饱和吸收体的吸收系数变小，对光的透过率逐渐增大。增大到一定值时，可饱和吸收体的吸收达到饱和，会被突然“漂白”而变得对激光透明。此时激光器谐振腔内损耗很低，Q值猛增，激光振荡形成调Q脉冲输出。当脉冲输出以后，激光器谐振腔内光强迅速减弱，可饱和吸收体恢复吸收特性，重新回到储能阶段。

Claims (5)

1.一种基于内腔双折射晶体走离效应的柱矢量脉冲激光器，其特征在于，包括泵浦源(1)，沿该泵浦源(1)的发射光光路依次是前端面镀有激光器发射光束波长高反膜的双折射晶体(2)、腔内透镜(3)和后端面镀有发射波长部分反射膜的可饱和吸收体(4)，由所述的双折射晶体前端面到可饱和吸收体的后端面之间构成激光器谐振腔。

2.根据权利要求1所述的基于内腔双折射晶体走离效应的柱矢量脉冲激光器，其特征在于，所述的双折射晶体(2)掺杂一定浓度的激活离子作为产生激光输出所需的激光器增益介质，该双折射晶体(2)是YVO₄或GdVO₄，掺杂离子是Nd³⁺、Yb³⁺、或Er³⁺三价稀土元素离子。

3.根据权利要求1所述的基于内腔双折射晶体走离效应的柱矢量脉冲激光器，其特征在于，所述的泵浦源(1)采用端面泵浦或侧向泵浦。

4.根据权利要求1所述的基于内腔双折射晶体走离效应的柱矢量脉冲激光器，其特征在于，所述的可饱和吸收体(4)是Cr⁴⁺：YAG或半导体可饱和吸收镜。

5.根据权利要求1所述的基于内腔双折射晶体走离效应的柱矢量脉冲激光器，其特征在于，所述的腔内透镜(3)在激光器谐振腔内沿光轴移动：

当所述的腔内透镜(3)到所述的双折射晶体(2)前端面距离为时，在可饱和吸收体(4)后面得到切向偏振脉冲激光输出；

当所述的腔内透镜(3)到所述的双折射晶体(2)前端面距离为时，在可饱和吸收体(4)后面得到径向偏振脉冲激光输出；

式中，L为激光器谐振腔长度，f为腔内透镜焦距，D为双折射晶体厚度，d_o和d_e分别为从双折射晶体中出射的o光e光与光轴交点相对于没有双折射晶体时入射光束与光轴交点之间的距离。