CN105140772B - 一种完全补偿激光器热退偏的电光q开关 - Google Patents

一种完全补偿激光器热退偏的电光q开关 Download PDF

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本发明涉及一种完全补偿激光器热退偏的电光Q开关，其特征在于：包括一块侧向位移偏振分光棱镜、一个Pockels盒、一块四分之一波片和一片全反射镜；侧向位移偏光棱镜、四分之一波片、Pockels盒和全反射镜依次置于激光光路上，且所有光学元件的入射面均相互平行；侧向位移偏光棱镜用于将激光分为水平和垂直偏振的两束光，水平偏振光沿原光路透射，垂直偏振光被90°反射后经与该反射面平行的另一反射面全反射后输出，此时垂直偏振光与水平偏振光光路平行，两束光之间有一平移；这两束光同时入射到四分之一波片和Pockels盒后，被全反射镜反射后返回，而不溢出，从而实现了对热退偏损耗的完全补偿。本发明结构简单，不需要额外增加光学元件和光路，易于装调。

Description

一种完全补偿激光器热退偏的电光Q开关
技术领域
本发明涉及一种能够完全补偿激光器热退偏损耗的电光Q开关，属于高能量电光调Q激光器技术领域。
背景技术
高能量电光调Q激光器在工业、军事及科研等领域有着重要的应用。基于钇铝石榴石(YAG)基质的激光晶体是目前使用最广的一种激光材料，如钕激光(Nd:YAG)、钬激光(Ho:YAG)和铒激光(Er:YAG)，但这类各向同性的激光晶体棒在高泵浦功率下会产生严重的热效应,限制了输出指标的提高。而对于热导率较差的其他各向同性晶体，这种现象就更加严重。激光器在高泵浦功率下工作时，激光棒吸收泵浦能量而在激光棒内产生热沉积，这部分热量会导致棒截面内的折射率呈现非均匀分布，使晶体从各向同性介质变为各向异性，产生热致双折射。此时，通过激光棒的线偏振光会因热致双折射而产生热退偏效应，而使得发生退偏的光束在通过起偏器时非水平方向的偏振光被反射出谐振腔外，从而造成能量的损耗和光斑的不均匀。
高能量的电光调Q激光器在高泵浦功率下会产生严重的热退偏效应，由此带来的热退偏损耗极大地减小了激光器的输出能量，同时还会使激光器输出光斑均匀性受到严重的影响，限制了激光器性能的提高。为了获得光斑分布均匀的高能量调Q激光输出，需要对热退偏进行补偿。最简单的方式是采用四分之一波片，但这种方式只能部分补偿热退偏，而且在热退偏效应变得严重后该方法甚至无法进行补偿。目前采用的能完全补偿热退偏损耗的方案主要包括双棒串接和双路调Q。双棒串接需要在激光谐振腔内增加一根激光棒，这不仅增加了谐振腔长度，同时使得结构变得复杂；双路调Q装置需要两块电光晶体和两个光路，增加了装调的难度，也使激光器结构变得复杂。尽量减少腔内的光学元件不仅能够简化激光器的结构，增加其稳定性，还能降低激光器的成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种结构简单、装调方便的电光Q开关对热退偏效应进行完全补偿。
所述电光Q开关由一块侧向位移偏振分光棱镜、一个Pockels盒、一块四分之一波片和一片全反射镜组成。所述电光Q开关采用加压和退压两种工作模式，当采用退压工作模式时，可以不插入四分之一波片。所述侧向位移偏振分光棱镜用于产生线偏振光，它将因热退偏效应导致的退偏激光分为水平和垂直方向的两束偏振光，这两束激光相互平行。所述Pockels盒在施加四分之一波电压后，使来回通过它的线偏振光的偏振方向发生90°旋转。所述四分之一波片的快轴方向与水平方向呈45°放置，用于使来回通过它的线偏振光的偏振方向发生90°旋转。
所述侧向位移偏光棱镜由一块45°直角棱镜和一块平行四边形棱镜胶合而成，棱镜材料对激光波长具有高透过率，可采用K9玻璃、白宝石、熔石英、氟化镁、氟化钙、YAG、YSGG等材料，根据激光器波长选择相应的透光材料。侧向位移偏光棱镜(通光面大小根据所用激光棒截面尺寸设计。所述直角棱镜与平行四边形棱镜的接触面镀有对激光波长具有高损伤阈值(1GW/cm2,激光波长1064nm,脉宽10ns)的偏振分束膜，用于将激光分为水平和垂直偏振的两束光，水平偏振光沿原光路投射，垂直偏振光被90°反射后经与该反射面平行的另一反射面全反射后输出，此时垂直偏振光与水平偏振光光路平行，两束光之间有一平移。这两束光同时入射到又一块电光晶体构成的Pockels盒，被全反射镜反射后返回，而不溢出谐振腔外，从而实现了对热退偏损耗的完全补偿。所述侧向位移偏光棱镜入射面与激光棒端面平行放置，相比布儒斯特角的偏振器件装调更为简单。
所述Pockels盒由电光晶体和电极构成，电光晶体设计为立方体扁平结构，通光面抛光并镀有对应波长的增透膜，与通光面垂直的一对平行面镀金并与电极接触，电压设计为四分之一波电压。Pockels盒可以采用LN、LT、BBO、KDP、KTP、LGS、RTP等在该波段适用的电光晶体。
所述四分之一波片可采用石英、氟化镁等对使用波长高透过率(大于等于98％)的材料，两端面镀有使用波长的增透膜，其快轴方向与激光偏振方向成45°夹角放置。
所述全反射镜的基片可以采用K9玻璃、石英、白宝石、氟化钙等材料，镜片两面抛光，镀有使用波长的全反射膜，反射率大于99.9％。
相比现有的技术，本发明具有如下优势：(1)侧向位移偏光棱镜作为起偏器，可将两个偏振方向的光平行分开，产生一个小的平移，且不溢出激光谐振腔外，并提供电光Q开关工作所需的线偏振光；(2)两束平行的偏振光束，其偏振方向相互垂直，两者之间在水平方向较小的平移使得两者可共用一个Pockels盒和一块全反射镜片；(3)Pockels盒所用的电光晶体只需增加一定的宽度，保持晶体高度和长度不变，所以并不会增大所需的四分之一波电压，所用电光晶体根据实际激光波长选择所需的材料。
附图说明
图1基于本发明电光Q开关的激光器俯视结构图；
图2所述侧向位移偏光棱镜示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。
如图1所示，激光器谐振腔由输出耦合镜1、激光晶体棒2和完全补偿激光器热退偏的电光Q开关构成；完全补偿激光器热退偏的电光Q开关由侧向位移偏光棱镜3、四分之一波片4、Pockels盒5、全反射镜6构成；从输出耦合镜1到全反射镜6依次放置有激光晶体棒2、侧向位移偏光棱镜3、四分之一波片4和Pockels盒5。上述所有光学元件的入射面均相互平行且置于光路上。
如图2所示，侧向位移偏光棱镜由一块45°直角棱镜(其两腰相互垂直且长度相等，斜边与腰成45°角)和一块平行四边形棱镜构成。45°直角棱镜和一块平行四边形棱镜两者的接触面14镀有高损伤阈值(1GW/cm2,测试波长1064nm,脉宽10ns)的偏振分束膜，该偏振分束膜对水平偏振光具有高透过率(>98％)，对垂直偏振光具有高反射率(>98％)，被分开的两束光传播方向相互垂直。侧面11、13、15镀有对激光波长的增透膜，以减少表面的菲涅尔反射，侧面12不镀膜。被镀有偏振分束膜的面14反射的垂直偏振光入射到界面12后会由于全反射偏转90°而从侧面13输出，输出的两束偏振光相互平行。
如图1所示的激光器工作时，从输出镜1反射回来的光束经过激光棒2产生部分热退偏，从侧向位移偏光棱镜的侧面1入射，没有发生退偏的激光沿原光路透过镀有偏振分束膜的面14从侧面13输出；退偏后的激光经过侧向位移偏光棱镜时依次被镀有偏振分束膜的面14和侧面12反射后从侧面13输出。
当电光Q开关处于加压模式工作时，介于侧向位移偏光棱镜3和Pockels盒5之间的四分之一波片4的快轴与水平方向成45°。Pockels盒5上没有电压时通过它的偏振光偏振方向不发生变化，透过侧向位移偏光棱镜3的水平偏振光来回通过四分之一波片后偏振方向旋转90°后变为垂直偏振光，当其再次入射到镀有偏振分束膜的面14时，因镀有偏振分束膜的面14对垂直偏振光高反射的特性而从侧面15沿虚线所示方向溢出；被镀有偏振分束膜的面14反射的垂直偏振光来回通过四分之一波片后偏振方向也旋转90°而变为水平偏振光，当其再次入射到界面14时，因界面14对水平偏振光高透过的特性而从界面15沿虚线所示方向溢出。此时，电光Q开关处于关闭状态。当Pockels盒上施加由四分之一波电压后，其作用等同于与四分之一波片4，线偏振光来回通过四分之一波片4和Pockels盒5后偏振方向与原来相同，此时两束激光合为一束沿原路返回经过激光棒2后由输出耦合镜1输出。此时电光Q开光处于打开状态。当电光Q开关工作于退压模式时，Pockels盒5上施加有四分之一波电压，线偏振光来回通过Pockels盒5后偏振方向与原来相垂直，两束光返回通过侧向位移偏光棱镜时都会从侧面15输出，此时Q处于关闭状态；当Pockels盒5上施加的四分之一波电压瞬间撤去，通过的偏振方向不发生改变，此时Q开关处于打开状态，激光振荡产生输出。
电光Q开关打开时，两束激光都在谐振腔内振荡，不同于普通激光器中退偏光被起偏器反射出谐振腔外而造成能量损耗。被全反射镜6反射后光束沿原光路返回，经过侧向位移偏光棱镜后两束光合为一束，在此过程中退偏激光没有溢出谐振腔外，从而可以完全补偿热退偏会造成的损耗。
本发明中Pockels盒5的电光晶体只需在通常使用方式的基础上增加一定的通光截面，无需改变电场施加方向的晶体尺寸，从而可以使得晶体上的四分之一波电压不改变。
总之，本发明采用了一种结构简单的电光Q开光对激光器的热退偏效应进行完全补偿，不需要额外增加光学元件和光路，易于装调。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (3)

1.一种完全补偿激光器热退偏的电光Q开关，其特征在于：包括一块侧向位移偏振分光棱镜、一个Pockels盒、一块四分之一波片和一片全反射镜；侧向位移偏光棱镜、四分之一波片、Pockels盒和全反射镜依次置于激光光路上，且所有光学元件的入射面均相互平行；侧向位移偏光棱镜用于将激光分为水平和垂直偏振的两束光，水平偏振光沿原光路透射，垂直偏振光被90°反射后经与该反射面平行的另一反射面全反射后输出，此时垂直偏振光与水平偏振光光路平行，两束光之间有一平移；这两束光同时入射到四分之一波片和Pockels盒后，被全反射镜反射后返回，而不溢出，从而实现了对热退偏损耗的完全补偿；
所述电光Q开关采用加压和退压两种工作模式，当采用退压工作模式时，不插入四分之一波片；
所述侧向位移偏光棱镜由一块直角棱镜和一块平行四边形棱镜胶合而成；所述直角棱镜与平行四边形棱镜的接触面镀有对激光波长具有1GW/cm2的高损伤阈值的偏振分束膜；
所述侧向位移偏光棱镜入射面与激光谐振腔中的激光棒端面平行放置；
所述直角棱镜和平行四边形棱镜的材料为对激光波长具有大于等于98％高透过率的材料；
所述Pockels盒由电光晶体和电极构成，电光晶体设计为立方体扁平结构，通光面抛光并镀有对应波长的增透膜，与通光面垂直的一对平行面镀金并与电极接触，电压设计为四分之一波电压；
所述四分之一波片采用对波长高透过率的材料，四分之一波片两端面镀有使用波长的增透膜，四分之一波片快轴方向与激光偏振方向成45°夹角放置。
2.根据权利要求1所述的完全补偿激光器热退偏的电光Q开关，其特征在于：所述大于等于98％高透过率的材料包括K9玻璃、白宝石、熔石英、氟化镁、氟化钙、YAG或YSGG材料。
3.根据权利要求1所述的完全补偿激光器热退偏的电光Q开关，其特征在于：所述全反射镜的基片采用K9玻璃、石英、白宝石、氟化钙材料，全反射镜的镜片两面抛光，镀有使用波长的全反射膜，反射率大于99.9％。
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