CN105006728B - 径向偏振激光系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于激光技术领域，提供了一种径向偏振激光系统，旨在解决现有技术中如何稳定输出径向偏振的问题。该径向偏振激光系统包括折叠分布的激光器谐振腔、偏振装置以及移相装置；激光器谐振腔包括沿激光束的光路依次顺序连接且分布于不同平面的尾镜、第一折反镜、第二折反镜、第三折反镜、第四折反镜以及输出镜，光路在第一平面和在第二平面上被折叠的次数相同，相邻两个光路相互垂直；偏振装置和移相装置均包括衍射光栅。激光器谐振腔通过将激光束在第一平面和第二平面内的光路被折叠的次数相同，消除了同一平面内折反镜对激光束的偏振状态的影响，并采用具有衍射光栅的偏振装置和移相装置以引入径向偏振，从而输出稳定的径向偏振。

Description

径向偏振激光系统

技术领域

本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种径向偏振激光系统。

背景技术

径向偏振是一种新颖的光学偏振态，具有空间各向异性，在许多应用中具有重要的价值。目前出现了许多径向偏振激光系统，从产生径向偏振光的方式来看可以分为两类，一类是腔外法；另一类是腔内法。腔外法有多种方式，一种是利用两束偏振方向相互正交，相位呈一定分布的线偏振光，合束后就可以形成径向偏振光；另一种是利用相位延迟元件，使得入射的线偏振光在不同径向方位产生不同的相位延迟，通过该元件后线偏振光就转换成径向偏振光。腔内法则主要是利用晶体的双折射效应或光纤光栅（应用于光纤激光器）等。但是，现有的这些方法大多只适用于小功率激光输出，且产生的径向偏振的纯度也不高。

通常，工业用大功率CO2激光器均采用平面折叠式谐振腔结构，它的光学系统由放电管、折反镜、尾镜和输出镜组成。如图1所示，为折叠式谐振腔光路示意图，由尾镜L1、输出镜L2、折反镜M1、折反镜M2、折反镜M3和折反镜M4组成，其中，尾镜L1、折反镜M1、折反镜M2、折反镜M3和折反镜M4为全反射镜，输出镜L2为半透半反镜，每一个折反镜均将光束折叠90度。光路OL1、OL2与折反镜M1形成平面Ⅰ；光路OL2、OL3与折反镜M2形成平面Ⅱ；光路OL3、OL4与折反镜M3形成平面Ⅲ；光路OL4、OL5与折反镜M4形成平面Ⅳ。因为平面Ⅰ、平面Ⅱ、平面Ⅲ和平面Ⅳ均在同一平面，因此统称为谐振腔平面。

任何一个偏振状态都可以由相互正交的垂直偏振和平行偏振合成，垂直偏振（s偏振）垂直于入射平面，平行偏振（p偏振）平行于入射平面。光学表面对激光束的s偏振和p偏振的反射率随着入射角的不同而不同，如图2所示。随着入射角的增大s，p偏振的反射率差越大，通常s偏振反射率大于p偏振反射率。除此之外，在反射过程中，s与p偏振也存在相位差，如图3所示。

在如图1所示的谐振腔中，由反射过程引起的反射率差为：ΔR=ΔRM1+ΔRM2+ΔRM3+ΔRM4,引起的相位差为：Δφ=ΔφM1+ΔφM2+ΔφM3+ΔφM4。工业用大功率CO2激光器折叠腔使用通常采用金属基镀膜的铜或硅折反镜，称为MMR镜，该折反镜对10.6微米的激光的反射率大于99.7%。Ⅱ-Ⅵ公司生产的MMR反射镜对s，p偏振的反射率差为0.2%，相位差小于2°。通常CO2激光折叠式反射镜的入射角为45°，它的反射率差为0.2%，相位差约为1°。经试验证明，正是由于这种反射率差导致了CO2激光器谐振腔的强偏振效应，输出s偏振激光。

研究发现，在激光器谐振腔中，要实现径向偏振的输出，必须使得谐振腔中折反镜引起的总s，p偏振反射率差ΔR和相位差Δφ尽可能的小，同时为了实现稳定的径向偏振输出又需要引入尽可能大的径向和角向偏振的反射率差ΔR′以及径向偏振与角向偏振相位差Δφ′=π。通过精进的镜片制作工艺可以把ΔR和Δφ做到尽可能的小，但却大大增加了生产成本。同时ΔR和Δφ还受镜片的温度和使用寿命的影响而变化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种径向偏振激光系统，通过设置衍射光栅，旨在解决现有技术中如何稳定输出径向偏振激光的问题。

本发明是这样实现的，一种径向偏振激光系统包括折叠激光器谐振腔、用于引入径向偏振的反射率差的偏振装置以及用于引入角向偏振的相位差的移相装置；所述激光器谐振腔包括沿激光束的光路依次顺序连接且分布于不同平面的尾镜、第一折反镜、第二折反镜、第三折反镜、第四折反镜以及输出镜；所述尾镜、所述第一折反镜、所述第二折反镜和所述第三折反镜位于第一平面上，所述第二折反镜、所述第三折反镜、所述第四折反镜和所述输出镜位于第二平面上，所述第一平面与所述第二平面相互垂直，所述光路在所述第一平面上的所述尾镜、所述第一折反镜、所述第二折反镜和所述第三折反镜之间的被折叠次数和在所述第二平面上的所述第二折反镜、所述第三折反镜、所述第四折反镜和所述输出镜之间的被折叠次数相同，相邻两个光路相互垂直；所述偏振装置和所述移相装置均包括衍射光栅。

进一步地，所述偏振装置和所述移相装置均设置于所述尾镜上。

进一步地，所述偏振装置和所述移相装置均设置于所述输出镜上，所述衍射光栅位于所述激光器谐振腔内。

进一步地，所述偏振装置设置于所述尾镜上以及所述移相装置设置于所述输出镜上。

进一步地，所述衍射光栅为中心对称的准周期性环形结构，且从中心向外辐射。

进一步地，所述衍射光栅包括材料为砷化镓制成的基底、设置于所述基底上表面的多层膜结构以及材料为锗制成的光栅，所述多层膜结构位于所述基底与上述光栅之间；所述多层膜结构由12层硒化锌标准膜和氟化钍标准膜交替排列而成，且靠近所述基底的一层为所述硒化锌标准膜。

进一步地，位于所述第一平面内的所述第一折反镜、所述第二折反镜和所述第三折反镜的反射平面与所述第一平面平行，位于所述第二平面内的所述第二折反镜、所述三折反镜和所述第四折反镜的反射平面与所述第二平面平行。

进一步地，所述尾镜、所述第一折反镜、所述第二折反镜、所述第三折反镜和所述第四折反镜为全反射镜，所述输出镜为半透半反镜。

进一步地，所述全反射镜为高反射率的偏振元件、平面镜、凹面镜或其他复曲面镜。

进一步地，所述高反射率的偏振元件为具有偏振选择性膜的高反射镜或者光栅。

本发明的激光器谐振腔通过相互垂直的第一平面和第二平面，并且所采用的第一折反镜、第二折反镜、第三折反镜和第四折反镜为相同的折反镜，保证了激光器谐振腔内光路中的s偏振和p偏振具有相同的反射率，通过将激光束在第一平面和第二平面内的光路被折叠的次数相同，消除了同一平面内折反镜对激光束的偏振影响，并采用具有衍射光栅的偏振装置和移相装置以引入径向偏振和角向偏振，从而输出稳定的径向偏振。

附图说明

图1是现有技术提供的激光器谐振腔的光路俯视图，所有光路均分布在同一个平面内；

图2是现有技术中光束的s偏振和p偏振的反射率随入射角的变化图；

图3是现有技术中光束的s偏振和p偏振的相移随入射角的变化图；

图4是本发明实施例提供的激光器谐振腔的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的衍射光栅的结构示意图；

图6是图5中VI部分的局部放大图；

图7是图5中衍射光栅的截面示意图；

图8是图5中衍射光栅对TE偏振的反射率，；

图9是图5中衍射光栅对径向偏振与角向偏振的相位差；

图10是本发明实施例一中提供的径向偏振激光系统的结构示意图；

图11是本发明实施例二中提供的径向偏振激光系统的结构示意图；

图12是本发明实施例三中提供的径向偏振激光系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参照图4、图10至图12，本发明实施例提供的径向偏振激光系统包括折叠分布的激光器谐振腔1、用于引入径向偏振的反射率差的偏振装置4以及用于引入角向偏振的相位差的移相装置5；所述激光器谐振腔1包括沿激光束2的光路3依次顺序连接且分布于不同平面的尾镜10、第一折反镜11、第二折反镜12、第三折反镜13、第四折反镜14以及输出镜15，所述尾镜10、所述第一折反镜11、所述第二折反镜12和所述第三折反镜13位于第一平面100上，所述第二折反镜12、所述第三折反镜13、所述第四折反镜14和所述输出镜15位于第二平面200上，所述第一平面100与所述第二平面200相互垂直，所述光路3在所述第一平面100上的所述尾镜10、所述第一折反镜11、所述第二折反镜12和所述第三折反镜13之间的被折叠次数和在所述第二平面200上的所述第二折反镜12、所述第三折反镜13、所述第四折反镜14和所述输出镜15之间的被折叠次数相同，相邻两个光路3相互垂直；所述偏振装置4和所述移相装置5均包括衍射光栅45。该激光器谐振腔1通过相互垂直的第一平面100和第二平面200，并且所采用的第一折反镜11、第二折反镜12、第三折反镜13和第四折反镜14为相同的折反镜，保证了激光器谐振腔1内光路3中的a偏振和b偏振具有相同的反射率，通过将激光束2在第一平面100和第二平面200内的光路3被折叠的次数相同，消除了同一平面内折反镜对激光束2的偏振影响，并采用具有衍射光栅45的偏振装置4和移相装置5以引入径向偏振和角向偏振，从而输出稳定的径向偏振。与此同时，利用相互垂直的第一平面100和第二平面200也增加了激光器谐振腔1的长度，有利于提高激光束2的质量和增强激光强度。

激光束2依次经过尾镜10、第一折反镜11、第二折反镜12、第三折反镜13、第四折反镜14和输出镜15，所形成的光路3包括第一光路30、第二光路31、第三光路32、第四光路33和第五光路34，具体地，所述第一光路30位于尾镜10与第一折反镜11之间，第二光路31位于第一折反镜11与第二折反镜12之间，第三光路32位于第二折反镜12与第三折反镜13之间，第四光路33位于第三折反镜13与第四折反镜14之间，第五光路34位于第四折反镜14与输出镜15之间，所述第一光路30、所述第二光路31和所述第三光路32位于第一平面100内，所述第三光路32、所述第四光路33和所述第五光路34位于第二平面200内。

当激光束2在第一平面100内时，每一次反射过程都只对垂直于第一平面100内的s偏振具有大的反射率，而对平行于第一平面100和激光束2传播方向的p偏振具有小的反射率，同样地，当激光束2在第二平面200内时，每一次反射过程都只对垂直于第二平面200内的s偏振具有大的反射率，而对平行于第二平面200和激光束2传播方向的p偏振具有小的反射率。由于第一平面100和第二平面200相互垂直，因此，在第二平面200中，第一平面100内的s偏振为第二平面200的p偏振，第一平面100的p偏振为第二平面200的s偏振，在此将同一个偏振方向的激光束2做统一标记，即第一平面100内的s偏振和第二平面200内的p偏振标记为a偏振，第一平面100内的p偏振和第二平面200内的s偏振标记为b偏振，a偏振和b偏振的偏振方向相互垂直。虽然在第二平面200中s偏振具有大的反射率，p偏振具有小的反射率，但是实际刚好与第一平面100中的情况相反。即在第一平面100中具有大反射率的a偏振或者b偏振，在第二平面200内却只有小反射率的a偏振或者b偏振；在第一平面100内具有小反射率的a偏振或者b偏振，在第二平面200内却只有大反射率的a偏振或者b偏振。另外，采用的第一折反镜11、第二折反镜12、第三折反镜13和第四折反镜14为相同的折反镜，这样，两个相互正交的a偏振和b偏振在激光器谐振腔1内具有了相同的反射率，从而消除了各折反镜反射率差异和模式竞争效应共同引起的偏振效应，达到了均匀消偏振的目的。

请参照5至图7，在本发明实施例中，所述衍射光栅45为中心对称的准周期性环形结构，且从中心向外辐射。可以理解地，通过调整衍射光栅45的光栅凸台宽度d、光栅栅距Λ、光栅凸台高度h以及选择合适的光栅材料，就可以实现对TM、TE偏振的反射率差以及相位差的稳定输出。例如，对于10.6微米波长的激光，一般光栅48采用锗（Ge）材料。

请参照5至图7，进一步地，所述衍射光栅45包括材料为砷化镓制成的基底46、设置于所述基底46上表面的多层膜结构47以及材料为锗制成的光栅48，所述多层膜结构47位于所述基底46与上述光栅48之间；所述多层膜结构47由12层硒化锌（ZnSe）标准膜470和氟化钍（ThF4）标准膜472交替排列而成，且靠近所述基底46的一层为所述硒化锌标准膜。可以理解地，衍射光栅45的底层为基底46，位于光栅48与基底46之间的为标准的多层膜结构47，该多层膜结构47由12层ZnSe标准膜470和ThF4标准膜472交替排列，且ZnSe标准膜470位于该多层膜结构47的最底层。对于中心波长为10.6微米的二氧化碳激光器，衍射光栅45的结构为：光栅凸台高度h=300nm，占空比f=0.5，光栅48由Ge构成，且Ge层的厚度为420nm，也就是说在光栅48下有一层120nm的Ge层，该厚度为120nm的Ge层为贴合于多层膜结构47与光栅凸台之间的Ge层。利用该衍射光栅45机构能够实现TE与TM偏振的大的反射率差以及相位差，其中反射率差可大于95%，相位差约180°。

请参照图10，在本发明实施例中，所述偏振装置4和所述移相装置5均设置于所述尾镜10上。可以理解地，在尾镜10和输出镜15之间设有一对反射镜为45度的反射镜6，各折反镜6引起的反射率差ΔR已由激光器谐振腔1中相互垂直的光路3结构自然消除，即ΔR=0，通过将偏振装置4和移相装置5共同设置于尾镜10上，实现径向偏振和角向偏振分别以反射率差ΔR′和相位差稳定输出。

请参照图11，在本发明实施例中，所述偏振装置4和所述移相装置5均设置于所述输出镜15上，所述衍射光栅45位于所述激光器谐振腔1内。可以理解地，在尾镜10和输出镜15之间设有一对反射镜为45度的反射镜6，由于衍射光栅45位于激光器谐振腔1内，安装严格的耦合波理论，通过合理的调整光栅48的结构和多层膜结构47以实现偏振和相位要求。

请参照图12，在本发明实施例中，所述偏振装置4设置于所述尾镜10上以及所述移相装置5设置于所述输出镜15上。可以理解地，在尾镜10和输出镜15之间设有一对反射镜为45度的反射镜6，通过将偏振装置4设置于尾镜10上，以提供径向偏振和角向偏振间较大的反射率差，移相装置5设置于输出镜15上，以提供径向偏振和角向偏振间接近π的相移。在该实施例中，通过将偏振装置4和移相装置5分别设置于尾镜10和输出镜15两个不同的光学元件上，使得偏振装置4和移相装置5相互独立，互不影响，从而获得更好的偏振和相移性能。

请参照图4，进一步地，位于所述第一平面100内的所述第一折反镜11、所述第二折反镜12和所述第三折反镜13的反射平面与所述第一平面100平行，位于所述第二平面200内的所述第二折反镜12、所述三折反镜和所述第四折反镜14的反射平面与所述第二平面200平行。可以理解地，所述第一折反镜11与第一光路30在第一平面100内形成的入射平面为第一平面100，第二折反镜12与第二光路31在第一平面100内形成的入射平面为第一平面100，第三折反镜13与第三光路32在第二平面200内形成的入射平面为第二平面200，第四折反镜14与第四光路33在第二平面200内形成的入射平面为第二平面200。

进一步地，所述激光束2的s偏振和p偏振在所述光路3上相互垂直且均垂直于所述光路3。具体地，所述激光束2的s偏振和p偏振在第一光路30上相互垂直且均垂直于第一光路30，在第二光路31上相互垂直且垂直于第二光路31，在第三光路32上相互垂直且垂直于第三光路32，在第四光路33上相互垂直且垂直于第四光路33以及在第五光路34上相互垂直且垂直于第四光路33。激光束2在各光路3的反射过程中，所引起的反射率差为ΔR=ΔR₁+ΔR₂+ΔR₃+ΔR₄+ΔR₅，其中，ΔR₁、ΔR₂、ΔR₃、ΔR₄和ΔR₅分别为激光束2在第一光路30、第二光路31、第三光路32、第四光路33和第五光路34上的反射率。由于第一平面100与第二平面200相互垂直，且激光束2在各光路3中的s偏振和p偏振的反射率相同，并且激光束2的光路3在第一平面100内被折叠了三次以及在第二平面200内也被折叠了三次，这样使得激光束2在整个光路3中的反射率差ΔR=0，从而使激光器谐振腔1均匀消偏振。

所述尾镜10、所述第一折反镜11、所述第二折反镜12、所述第三折反镜13和所述第四折反镜14为全反射镜，所述输出镜15为半透半反镜。可以理解地，所述激光束2入射至尾镜10并由尾镜10将激光束2完全反射至第一折反镜11，由第一折反镜11将尾镜10反射的激光束2完全反射至第二折反镜12，由第二折反镜12将第一折反镜11反射的激光束2完全反射至第三折反镜13，由第三折反镜13将第二折反镜12反射的激光束2完全反射至第四折反镜14，由第四折反镜14将第三折反镜13反射的激光束2完全反射至输出镜15，并由输出镜15将激光进行反射和透射，第一折反镜11、第二折反镜12、第三折反镜13和第四折反镜14为相同的全反射镜，在光路3中相互正交的s偏振和p偏振具有相同的反射率，从而消除了各折反镜的反射率差异和模式竞争效应共同引起的偏振效应，到达了均匀消偏振的目的。优选地，所述全折反镜为高反射率的偏振元件、平面镜、凹面镜或其他复曲面镜。可选地，所述高反射率的偏振元件为具有偏振选择性膜的高折反镜或者光栅。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种径向偏振激光系统，其特征在于，包括折叠分布的激光器谐振腔、用于引入径向偏振的反射率差的偏振装置以及用于引入角向偏振的相位差的移相装置；所述激光器谐振腔包括沿激光束的光路依次顺序连接且分布于不同平面的尾镜、第一折反镜、第二折反镜、第三折反镜、第四折反镜以及输出镜，所述尾镜、所述第一折反镜、所述第二折反镜和所述第三折反镜位于第一平面上，所述第二折反镜、所述第三折反镜、所述第四折反镜和所述输出镜位于第二平面上，所述第一平面与所述第二平面相互垂直，所述光路在所述第一平面上的所述尾镜、所述第一折反镜、所述第二折反镜和所述第三折反镜之间的被折叠次数和在所述第二平面上的所述第二折反镜、所述第三折反镜、所述第四折反镜和所述输出镜之间的被折叠次数相同，相邻两个光路相互垂直；所述偏振装置和所述移相装置均包括衍射光栅；

所述衍射光栅为中心对称的准周期性环形结构，且从中心向外辐射；

所述衍射光栅包括材料为砷化镓制成的基底、设置于所述基底上表面的多层膜结构以及材料为锗制成的光栅，所述多层膜结构位于所述基底与上述光栅之间；所述多层膜结构由12层硒化锌标准膜和氟化钍标准膜交替排列而成，且靠近所述基底的一层为所述硒化锌标准膜；

所述光栅包括由材料锗制成的光栅凸台和锗层，所述锗层设于所述光栅凸台和所述多层膜结构之间；

所述尾镜、所述第一折反镜、所述第二折反镜、所述第三折反镜和所述第四折反镜为全反射镜，所述输出镜为半透半反镜；

所述全反射镜为高反射率的偏振元件；

所述光栅凸台的高度为300nm，占空比为0.5，所述锗层的厚度为120nm。

2.如权利要求1所述的径向偏振激光系统，其特征在于，所述偏振装置和所述移相装置均设置于所述尾镜上。

3.如权利要求1所述的径向偏振激光系统，其特征在于，所述偏振装置和所述移相装置均设置于所述输出镜上，所述衍射光栅位于所述激光器谐振腔内。

4.如权利要求1所述的径向偏振激光系统，其特征在于，所述偏振装置设置于所述尾镜上以及所述移相装置设置于所述输出镜上。

5.如权利要求1所述的径向偏振激光系统，其特征在于，位于所述第一平面内的所述第一折反镜、所述第二折反镜和所述第三折反镜的反射平面与所述第一平面平行，位于所述第二平面内的所述第二折反镜、所述第三折反镜和所述第四折反镜的反射平面与所述第二平面平行。

6.如权利要求1所述的径向偏振激光系统，其特征在于，所述高反射率的偏振元件为具有偏振选择性膜的高反射镜或者光栅。