CN105324890B - 径向偏振薄片激光器 - Google Patents

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Abstract

一种径向偏振薄片激光器，包括沿激光光路方向上依次排列的泵浦源(10)、准直透镜(20)、聚焦透镜(30)、激光增益介质(50)、散热介质(55)、布鲁斯特双轴锥体(60)及输出透镜(70)。布鲁斯特双轴锥体(60)包括两个相对的锥体和连接两个锥体的柱体，锥体的锥面(S5，S7)与底面形成的夹角为布鲁斯特角。激光增益介质(50)与散热介质(55)相键合。激光增益介质(50)与输出透镜(70)之间形成激光谐振子腔。泵浦源(10)发出的泵浦激光经过准直透镜(20)和聚焦透镜(30)后，聚焦于激光增益介质(50)，产生的光子在激光谐振子腔内振荡，并最终从输出透镜(70)输出径向偏振激光束。

Description

径向偏振薄片激光器
技术领域
本发明涉及激光器，特别是涉及一种带有增益介质的能够产生径向偏振激光的薄片激光器。
背景技术
薄片激光器是全固态激光器中的一种，自Adolf.Giesen等人1994年首次实现薄片激光器以来，其得到了迅速发展。薄片激光器采用厚度很小而横向尺寸较大的薄片状材料作为激光器的增益介质，即薄片增益介质。薄片激光器工作时需要对薄片增益介质进行散热。传统的薄片增益介质的冷却装置包括附着于薄片增益介质上的高热导率的紫铜热沉。紫铜热沉上设置有冷却介质微通道。由于薄片增益介质的面积很大、厚度很小，因此增益介质上的热量可以快速、有效的通过紫铜热沉传递给冷却介质微通道，再由冷却介质带走。薄片激光器具有可以高效导出增益介质内的热沉积、减弱增益介质的热透镜效应等优点，因此可以实现高功率、高效率、高光束质量的激光输出。由于薄片激光器具有上述优点，因此已广泛应用于国防军事、科学研究、工业生产等各个方面。
但是薄片激光器工作时，加载到薄片增益介质上的热量使得薄片增益介质的温度成高斯分布，即薄片增益介质中间部分的能量密度较高，从中间部分向四周扩散的部分的能量密度逐渐降低。从而导致薄片增益介质中间部分向外膨胀较大，形成类似倒扣的“碗状”变形，此即薄片激光器的热透镜效应。当薄片激光器高功率运行时，薄片增益介质的热透镜效应会影响激光器的输出功率、输出激光的稳定性及激光光束质量。当薄片增益介质膨胀变形超过材料的承受能力，甚至会导致薄片增益介质炸裂。
发明内容
基于此，有必要提供一种改善热透镜效应、提高输出稳定性的径向偏振薄片激光器。
一种径向偏振薄片激光器，包括沿激光光路方向上依次排列的泵浦源、准直透镜、聚焦透镜、激光增益介质、散热介质、布鲁斯特双轴锥体及输出透镜，其中，所述布鲁斯特双轴锥体包括两个相对的锥体和连接所述两个锥体的柱体，所述锥体的锥面与底面形成的夹角为布鲁斯特角，所述激光增益介质与所述散热介质相键合，所述激光增益介质与所述输出透镜之间形成激光谐振子腔，所述泵浦源发出的泵浦激光经过所述准直透镜和聚焦透镜后，聚焦于所述激光增益介质，产生的光子在所述激光谐振子腔内振荡，并最终从所述输出透镜输出径向偏振激光束。
在其中一个实施例中，所述激光增益介质为掺杂浓度为5.0at％～15at％的Yb：YAG圆片或掺杂浓度为1.0at％～5.0at％的Nd：YAG圆片，所述Yb：YAG圆片或Nd：YAG圆片的厚度为0.2～0.5mm。
在其中一个实施例中，所述散热介质的材料为YAG晶体，所述散热介质的厚度为所述激光增益介质的两倍。
在其中一个实施例中，所述布鲁斯特双轴锥体的材料为YAG晶体，所述布鲁斯特角为61.2134°±2’。
在其中一个实施例中，所述布鲁斯特双轴锥体的材料为石英，所述布鲁斯特角为55.4°±2’。
在其中一个实施例中，所述径向偏振薄片激光器还包括凹面反射镜组，所述凹面反射镜组设置在所述激光增益介质与所述布鲁斯特双轴锥体之间，未被所述激光增益介质吸收的泵浦激光经所述凹面反射镜组反射后，重新进入所述激光增益介质。
在其中一个实施例中，所述凹面反射镜组包括七片内反射镜和八片外反射镜，所述七片内反射镜与所述聚焦透镜排列成以所述布鲁斯特双轴锥体的轴线为对称轴的内圆环，所述八片外反射镜排列成一个环绕所述内圆环的外圆环。
在其中一个实施例中，所述激光增益介质远离所述布鲁斯特双轴锥体的一面设有对入射光高透、对出射光高反的第一双色光学膜，所述激光增益介质靠近所述布鲁斯特双轴锥体的一面设有对出射光高透、对入射光高透的第二双色光学膜。
在其中一个实施例中，所述散热介质的两个底面均设有出射光高透膜。
在其中一个实施例中，所述布鲁斯特双轴锥体的两个锥面分别设有出射光高透膜。
在其中一个实施例中，所述径向偏振薄片激光器还包括透镜座、泵浦头及第一密封盖，所述第一密封盖和所述泵浦头配合形成一个收容所述透镜座的泵浦腔，所述凹面反射镜组固定在所述透镜座上，所述第一密封盖内设有冷却液循环系统。
在其中一个实施例中，所述径向偏振薄片激光器还包括散热装置、第二密封盖及冷却装置，所述散热装置的一侧开设有容纳所述激光增益介质和所述散热介质的收容腔，所述第二密封盖固定设置在所述散热装置的该侧，所述冷却装置与所述第二密封盖相贴合，所述散热装置和所述第二密封盖上均设有冷却液循环系统。
在其中一个实施例中，所述冷却装置和所述第二密封盖上共同开设有指向所述激光增益介质的锥形孔。
在其中一个实施例中，所述径向偏振薄片激光器还包括输出镜筒和第三密封盖，所述输出镜筒的一端与所述第三密封盖相配合形成输出镜腔，所述布鲁斯特双轴锥体被固定在所述输出镜腔的一端，所述输出透镜固定在所述输出镜腔的另一端，所述第三密封盖上还设有冷却液循环系统。
在其中一个实施例中，所述泵浦源发出的泵浦激光的波长为940nm。
在其中一个实施例中，所述径向偏振激光束的波长为1030nm。
上述实施例的激光增益介质与散热介质的键合，能够改善薄片的热透镜效应，并能稳定地输出径向偏振的激光。
附图说明
通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将变得更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，且并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为一实施例的径向偏振薄片激光器的原理示意图；
图2为一实施例的径向偏振薄片激光器的剖视图。
图3为图2所示径向偏振薄片激光器的立体分解示意图。
图4a为图3所示激光增益介质和散热介质的立体示意图。
图4b为图3布鲁斯特双轴锥体的剖面示意图。
图5为光子在布鲁斯特双轴锥体与激光增益介质内外的传播路径示意图。
图6为940nm泵浦光光子能量高斯模式分布图。
图7为940nm泵浦光单次端泵长度为10mmYb：YAG晶体棒泵浦光子能量分布图。
图8为长度为10mm的Yb：YAG棒状晶体对940nm泵浦光的吸收函数图。
图9为940nm泵浦光单次端泵0.5mm厚的Yb：YAG薄片时泵浦光子能量分布图。
图10为Yb：YAG薄片晶体对940nm泵浦光的吸收函数图。
图11为光学谐振腔的局部立体剖视图。
图12为凹面反射镜组和泵浦头的剖面示意图。
图13为凹面反射镜组和泵浦头的立体分解示意图。
图14为平面波入射空气与YAG介质的折射与反射示意图。
图15显示了光从空气进入YAG时的反射率随入射角θi的变化曲线。
图16显示了光从空气进入YAG时的透射率随入射角θi的变化曲线。
图17为光子在布鲁斯特双轴锥体中传输时的偏振状态变化示意图。
图18为布鲁斯特双轴锥体的冷却装置的剖视图。
图19为图18所示的冷却装置的立体分解示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
偏振是光的最基本的特征之一，常见的有线偏振光、椭圆偏振光、圆偏振光以及径向偏振光。由于径向偏振光的偏振方向具有完美的轴对称分布几何特性，使得它与线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光相比有着很多显著不同的特性。如径向偏振光具有沿光轴对称的电场分布以及中空的圆环形的光束结构；径向偏振光在高数值透镜聚焦时可以产生超越衍射极限的极小焦斑，比线偏振、圆偏振、椭圆偏振的聚焦光斑小的多，而且在焦点区域的纵向电场变的非常强；径向偏振光只有横向的磁场和沿轴纵向的电场；径向偏振光是偏振本征态，在C切向晶体中传播时，不会发生串扰。近年来，径向偏振光的这些特性得到了很多的应用。如在引导和捕捉粒子、粒子加速、提高显微镜的分辨率、金属切割以及提高存储密度等方面，随着人们对径向偏振光的不断深入的认识，它将在越来越多的领域得到应用。
请参阅图1、图2及图3，一实施例的径向偏振薄片激光器100包括沿激光光路方向上依次排列的泵浦源10、准直透镜20、聚焦透镜30、激光增益介质50、散热介质55、布鲁斯特双轴锥体60及输出透镜70。泵浦源10输出的激光光束由光纤12传导并通过准直透镜20、聚焦透镜30，将激光焦点聚焦于激光增益介质50上，产生的光子在激光增益介质50与输出透镜70之间形成的激光谐振子腔80内振荡，并多次经过布鲁斯特双轴锥体60，从而筛选出偏振状态为P偏振光的光子，最终从输出透镜70输出径向偏振激光束90。
泵浦源10的主要作用是作为光源产生泵浦激光。本实施例中，采用波长为940nm的激光二极管(LD)激光器作为泵浦源。
准直透镜20固定在带有冷却水接头24的准直透镜座22内。
请参阅图4a，在本实施例中，激光增益介质50为掺杂浓度为5.0at％的Yb：YAG(Yb3 +：Y3Al5O12)圆形薄片，其厚度为0.5mm。在其他实施例中，激光增益介质50的厚度也可以为0.2～0.5mm，掺杂浓度可以为5.0at％～15at％。Yb3+离子的主吸收峰有两个，分别位于938nm和970nm。在938nm处，具有长达18nm的吸收带宽，可作为激光二极管泵浦的泵浦带。强的荧光峰位于1030nm波长的泵浦能量弱吸收处，通常为激光输出波长。在其他实施例中，激光增益介质50也可以是Nd：YAG薄片，其厚度0.2～0.5mm，掺杂浓度1.0～5.0at％。此时，泵浦源10发出的泵浦光的波长可以为980nm，激发的光子的波长为1064nm。
在本实施例中，散热介质55的形状为与激光增益介质50相似的圆形薄片。散热介质55的材料为YAG晶体(钇铝石榴石，化学式为Y3Al5O12)，其是一种极好的激光基质材料，具有性能稳定、质地坚硬、光学各相同性好、热导率高，散热性能好等优点。散热介质55的厚度为激光增益介质50的两倍，即为1mm。由于激光增益介质50的厚度较薄，难以采用一般的机械设备夹持，因此，将散热介质55与激光增益介质50键合后，可以增大厚度，方便设备夹持。另外，与普通光学玻璃不同的，散热介质55和激光增益介质50的折射率是相同的，键合之后，光子在这两片圆形薄片的键合分界面上不会出现光的折射现象，因折射率一样，光是沿直线传播的，在激光谐振子腔80内较易引起光子的振荡并产生激光。
请参阅图4b，在本实施例中，布鲁斯特双轴锥体60的材料为YAG晶体，其包括两个相对的锥体62和连接两个锥体62的柱体64。本实施例中，锥体62为圆锥体；柱体64为圆柱体。1030nm的光子在YAG晶体的折射率为1.82。锥体62的锥面与底面形成的夹角为布鲁斯特角，即θB＝61.2134°。在其他实施例中，布鲁斯特双轴锥体60也可以采用熔融石英材料，由于其对1030nm的波长的光的折射率为1.45，通过计算其布鲁斯特角θB＝55.4°。
在本实施例中，激光增益介质50远离布鲁斯特双轴锥体60的一面S1上通过镀膜设有对入射光高反、对出射光高反的第一双色光学膜51。具体为940nm高反、以入射角为θi＝32.4268°的1030nm高反的第一双色光学膜。对940nm的激光高反的目的是让未被吸收完的940nm波长的泵浦光反射再次进入激光增益介质50，然后进入薄片泵浦头，反复来回泵浦激光增益介质50，直至泵浦光能量完全被激光增益介质50吸收。对1030nm的激光高反的目的则是让1030nm的光子在激光增益介质50的S1面与输出透镜70之间形成的法布里-珀罗激光谐振子腔80来回振荡。
激光增益介质50靠近布鲁斯特双轴锥体60的一面S2通过镀膜设有对出射光高透、对入射光高透的第二双色光学膜53。第二双色光学膜53具体为940nm高透、1030nm高透的双色光学膜。940nm高透是为了让940nm的泵浦光通过S2面对激光增益介质50完全进行有效地泵浦。1030nm高透则是为了让来回振荡的1030nm光子能够透过S2面进入泵浦区域使其光子数得到放大。
散热介质55的两个底面S3、S4上均镀有1030nm的高透膜，目的是尽量减少来回振荡的1030nm光子在经过散热介质55时的反射损耗。
布鲁斯特双轴锥体60的两个锥面S5、S7均镀有以入射角等于布鲁斯特角的1030nm波长的高透膜62。目的是尽量减少来回振荡的1030nm的平行分量光子在经过布鲁斯特双轴锥体60时的反射损耗。布鲁斯特双轴锥体60的柱面S6为毛面，仅为方便夹持和固定之用，因光子均在布鲁斯特双轴锥体60的里面传输，无需对此面进行镀膜。
图5示出了激光光子在激光增益介质50与布鲁斯特双轴锥体60内外的传播路径示意图。激光增益介质50的S1面与输出透镜70构成的法布里-珀罗光学谐振腔80，Yb：YAG薄片为激光增益介质50，而布鲁斯特双轴锥体60则在谐振腔80内起着抑制垂直分量光子(S偏振光)，选出平行分量光子(P偏振光)并让其在谐振腔80内起振的作用。
泵浦源10发出的940nm的泵浦激光通过准直透镜20、聚焦透镜30后，将焦斑聚焦于激光增益介质50的S1面上，焦斑也称之为激光泵浦增益区52。来回振荡于谐振腔80的1030nm的光子都将经过这个激光泵浦增益区52，每经过一次，其光子数量将被放大一次。
940nm波长的激光经过激光泵浦增益区52的泵浦之后会被激发成1030nm的激光平行射出散热介质55，并以布鲁斯特角(θB＝61.2134°)从空气平行入射到布鲁斯特双轴锥体60。激光在空气与YAG晶体分界的锥面S5上会发生光的反射和折射现象，一部分垂直分量光子(S偏振光)通过在锥面S5的反射进入空气中被损耗掉，而剩下的垂直分量光子(S偏振光)和全部平行分量光子(P偏振光)则透过锥面S5进入到YAG双轴锥体16里。这些光子在布鲁斯特双轴锥体60里是沿直线传播，垂直分量光子(S偏振光)和平行分量光子(P偏振光)在比例上维持不变。当这些光子通过布鲁斯特双轴锥体60的锥面S7时，会在布鲁斯特双轴锥体60与空气的分界面S7发生光的反射与折射，一部分垂直分量光子(S偏振光)通过S7面的反射到布鲁斯特双轴锥体60而损耗掉，余下的垂直分量光子(S偏振光)和全部平行分量光子(P偏振光)通过布鲁斯特双轴锥体60的锥面S7以布鲁斯特角平行射到空气中。在空气中，这些光子沿直线传播入射到输出透镜70，输出透镜70将这些光子按原路返回以布鲁斯特角再一次进入布鲁斯特双轴锥体60，依次经过锥面S7、S5，垂直分量的光子(S偏振光)会分别在锥面S7、S5发生反射而损耗掉，而余下的垂直分量光子(S偏振光)和全部平行分量光子(P偏振光)则透过布鲁斯特双轴锥体60，以布鲁斯特角平行射出。1030nm的光子在光学谐振腔80来回振荡，每振荡一次要经过布鲁斯特锥面4次(各通过S5面、S7面两次)，垂直分量的光子(S偏振光)的损耗要远大于平行分量的光子(P偏振光)，光在谐振腔80中来回振荡多次经过YAG布鲁斯特双轴锥体16，最终使垂直分量的光子(S偏振光)损失殆尽，而平行分量(P偏振光)因经过泵浦增益区得到放大，当光子的增益大于光子在谐振腔80内的损耗时，因布鲁斯特双轴锥体60特殊的圆轴对称结构，激光平面输出镜将输出一束径向偏振激光20。
以下简要描述本激光器的泵浦原理。
本激光器使用的激光增益介质50是厚度为0.5mm、掺杂浓度为5.0at％的Yb：YAG薄片，采用波长为940nm的LD激光器作为泵浦源。940nm泵浦光光子能量分布如图6所示，泵浦光的光子分布呈高斯模式分布。
使用940nm的激光器对激光增益介质50进行泵浦时，Yb：YAG激光晶体作为增益介质会吸收泵浦能量，吸收函数为ηa＝1-exp(α*l)，α为吸收系数，l为Yb：YAG薄片的厚度或Yb：YAG晶体棒的长度。对于掺杂浓度为5.0at％的Yb：YAG薄片，940nm泵浦光的吸收系数α为5.6cm-1。
图7示出了940nm激光器泵浦长度为10mmYb：YAG晶体棒泵浦光子能量分布图，与其相对应的泵浦激光吸收量随Yb：YAG晶体棒的长度的吸收函数如图8所示。从图7、8可以看到，沿Yb：YAG晶体棒的轴向10mm处的940nm的光子几乎为零，表明采用940nm波长的激光器单次泵浦10mm长的Yb：YAG晶体棒，该Yb：YAG晶体棒可以将泵浦能量全部吸收，可以达到采用该激光晶体的激光器的激光输出功率最大化。
图9示出了940nm泵浦光单次端泵0.5mm厚的Yb：YAG薄片时泵浦光子能量分布图，与其相对应的泵浦激光吸收量随Yb：YAG薄片厚度的吸收函数如图10所示。图9、10可以看到，采用940nm激光器泵浦厚度为0.5mm的Yb：YAG薄片时，按照吸收函数为ηa＝1-exp(α*l)，α为吸收系数，l为Yb：YAG薄片的厚度，单次泵浦薄片对泵浦能量吸收ηa＝1-exp(α*l)＝1-exp(-0.56*0.5)＝24.42％，所以还有75.58％的泵浦能量未被吸收。从940nm光子在单次泵浦薄片时其光子分布可以明显看到大部分的泵浦光子未被吸收。图10可以看到，Yb：YAG薄片的厚度会影响泵浦光对其的吸收率，940nm激光器泵浦厚度为0.5mm、掺杂浓度为5.0at％的Yb：YAG薄片的吸收率为24.42％，而泵浦厚度为1mm、掺杂浓度为5.0at％的Yb：YAG薄片的吸收率为42.88％。
按照传统的薄片激光器的泵浦方式，即单次泵浦薄片未被吸收的泵浦光子经过另外一侧安装的一片全反射镜反射回来再度泵浦薄片增益介质一次，对于厚度0.5mm的Yb：YAG薄片来说，通过有效泵浦的长度约为薄片厚度的两倍，即1mm，其泵浦光的吸收率为42.88％，有超过一半(57.12％)的泵浦能量未被吸收。要提高径向偏振激光器的激光功率输出，就必须提高泵浦激光器能量的吸收。
为了提高吸收率，在本实施例中，在激光增益介质50与布鲁斯特双轴锥体60之间还增设了15片内镀940nm高反膜的凹面反射镜组40。请参阅图11，凹面反射镜组40包括七片内反射镜41和八片外反射镜43。七片内反射镜41与聚焦透镜30排列成以布鲁斯特双轴锥体60的轴线为对称轴的内圆环。八片外反射镜43排列成一个环绕所述内圆环的外圆环。泵浦激光源10通过聚焦透镜30，将焦点聚焦于激光增益介质50上，未被吸收的泵浦光被激光增益介质50的S2面全反射进入到空气中，被凹面反射镜组40的15片凹面反射镜依次反射回激光增益介质50，采用这种泵浦结构(1片聚焦透镜+15片反射镜)，泵浦光将有31次(＝15*2+1)泵浦0.5mm厚的薄片，其泵浦有效长度近似为31*0.5＝15.5mm，则泵浦光的吸收ηa＝1-exp(α*l)＝1-exp(-0.56*15.5)＝99.98％，则说明泵浦光几乎完全被5.0at％的Yb：YAG薄片吸收，极大地提高了激光增益介质对泵浦光的吸收率，从而实现大功率径向偏振激光光束的输出。可以理解，凹面反射镜组40也可省略。
为了防止高能量的泵浦对光学镜片带来损伤，因此需要对凹面反射镜组40进行散热处理。请同时参阅图12和图13，本实施例的径向偏振薄片激光器100还包括透镜座42、第一泵浦头44及第一密封盖46。第一密封盖46大致呈圆盘形，第一泵浦头44的形状大致为与第一密封盖46相配合的空心锥体。第一密封盖46和第一泵浦头44配合形成一个收容透镜座42的泵浦腔48。透镜座42大致为一个两层的圆盘，凹面反射镜组40固定在透镜座42上。具体的，七片内反射镜42与聚焦透镜30排列在透镜座42的内圈，八片外反射镜44排列在透镜座42的外圈。第一密封盖46与透镜座42之间形成供冷却水流通的通道462。第一密封盖46上还设有与该通道462相连的进水管接头464和出水管接头466，由此组成一个冷却液循环系统。
以下对径向偏振光的产生进行进一步说明。
众所周知，光属于电磁波，如图14所示，光作为平面波，入射空气与YAG介质的分界面上会发生光的反射与折射现象。图14中S(i)为入射光，S(r)为反射光，S(t)为透射光。布鲁斯特双轴锥体60的材质为YAG晶体，相对于1030nm波长的光子，其折射率按1.82计算。根据菲尼尔公式得出的光从空气进入YAG或Nd：YAG介质发生折射和反射时的透射率和反射率的公式如下所示：
R//+T//＝1 (3)
R⊥+T⊥＝1 (4)
其中，T//为平行分量的透射率，T⊥为垂直分量的透射率，R//为平行分量的反射率，R⊥为垂直分量的反射率，θi为光入射轴锥体表面的入射角，θt为光折射进入轴锥体的折射角。
当光子以入射角θi从空气入射到YAG晶体，会发生光子的反射和折射现象，其折射角为θt，其平行分量和垂直分量的反射率分别是和当光子以入射角等于θt从YAG晶体入射到与空气的分界面，同样会发生光子的反射和折射现象，折射角为θi。上面两个现象的本质上是光路可逆，入射角θi与折射角θt互易，所以，平行分量和垂直分量的反射率仍然分别是和
当光子以布鲁斯特角θB＝61.2134°从空气平行入射到YAG晶体时，由公式(1)、(2)、(3)、(4)计算(反射率和透射率的函数曲线如图15、图16所示)，垂直分量的反射率为28.75％、透射率为71.25％，平行分量的反射率为0，透射率为1，无反射损失，即部分垂直分量和全部平行分量从空气进入YAG晶体。当光子以布鲁斯特角θB＝61.2134°从YAG晶体平行入射到空气中时，折射角为布鲁斯特角θB＝61.2134°，入射角与折射角互易，由公式(1)、(2)、(3)、(4)计算可得知：垂直分量的反射率为28.75％，透射率为71.25％，平行分量的反射率为0，透射率为1，无反射损失，即部分垂直分量和全部平行分量从YAG晶体进入空气中。
如图17所示的是光子在布鲁斯特双轴锥体中传输时的偏振状态变化示意图，其中，“·”表示垂直分量光子即S偏振光，表示平行分量光子即P偏振光。940nm的泵浦光源通过聚焦透镜30将光斑聚焦于激光增益介质50，由于激光增益介质50与输出透镜70之间构成了法布里-珀罗光学谐振腔，激光增益介质50受泵浦激发以泵浦区域(泵浦光焦斑)52为中心向各个方向发射1030nm波长的光子。只有沿着如图5所示的激光谐振腔内光子在布鲁斯特双轴锥体60与激光增益介质50内外的传播路径的光子才能在激光谐振子腔80内来回振荡，其他传播方向的光子因不具备在腔体内来回振荡的条件而被抑制掉。
通过上面的讨论，光子经过布鲁斯特双轴锥体60一次时，有两次经过布鲁斯特锥面。第一次是光子从空气以布鲁斯特角平行入射到锥面S5进入布鲁斯特双轴锥体60，锥面S5会反射掉一部分垂直分量光子进入空气，而部分垂直分量光子和全部平行分量光子从空气进入到YAG晶体中去。第二次则是光子从布鲁斯特双轴锥体60的锥面S7以布鲁斯特角平行射出到空气中，锥面S7会反射掉一部分垂直分量的光子进入布鲁斯特双轴锥体60，而部分垂直分量光子和全部平行分量光子从布鲁斯特双轴锥体60折射到空气中去。所以，光子经过布鲁斯特双轴锥体60时，垂直分量光子(S偏振光)在布鲁斯特锥面(S5面和S7面)则通过反射会损耗掉一部分，部分垂直分量光子(S偏振光)和全部平行分量光子(P偏振光)从布鲁斯特双轴锥体60平行射出到空气中。
为了改善径向本激光器的激光增益介质50的热透镜效应，需要将940nm的泵浦源10泵浦激光增益介质50时产生大量的热及时散掉。由于YAG晶体是热的良好导体，通过将散热介质55与激光增益介质50进行键合，能够有效改善激光增益介质50的热透镜效应，提高激光输出模式质量。
更进一步，在本实施例中，为了更有效地保护激光增益介质50、布鲁斯特双轴锥体60和改善激光增益介质50的热透镜效应，可以在激光增益介质50的泵浦侧安装散热装置，将激光增益介质50产生大量的热量通过散热装置水冷的方式进行冷却。
请再次参阅图12和图13，本实施例的径向偏振薄片激光器100还包括散热装置54、第二密封盖56及冷却装置58。
散热装置54的材料为紫铜。散热装置54的一侧开设有容纳激光增益介质50和散热介质55的收容腔542，另一侧设计有用于增大散热面积的条状结构544。散热装置54的内部还设有冷却液循环系统546。
第二密封盖56大致为圆环形，其内部设有冷却液循环系统562。第二密封盖56通过螺钉固定设置在散热装置54的一侧。
冷却装置58大致为空心圆筒，其表面设有多条的散热鳍片582。冷却装置58与第二密封盖56相贴合。冷却装置58的材料也为紫铜。冷却装置58和第二密封盖56上共同开始有一个指向激光增益介质50的锥形孔584，以方便聚焦透镜30更好地将泵浦能量聚焦于激光增益介质50上。
当激光增益介质50受大功率的940nm泵浦源泵浦时，激光增益介质50吸收了大量的泵浦能量，会产生大量的热，这些热量通过散热装置54、散热介质55、冷却液循环系统546和冷却液循环系统562进行循环水冷却，及时带走大量的热，保护激光增益介质50免遭因热应力炸裂及其镀膜免遭脱落。
本实施例采用大功率泵浦源泵浦激光增益介质50，高能量的来回振荡的光子经过布鲁斯特双轴锥体60时也会产生大量的热，会产生热透镜效应，使得激光输出模式变差，因此，需要对布鲁斯特双轴锥体60进行散热。
请参阅图18和图19，本实施例的径向偏振薄片激光器100还包括输出镜筒76和第三密封盖78。
输出镜筒76大致为空心圆筒，其表面设有一圈圈的散热鳍片762。输出镜筒76的一端与第三密封盖78相配合形成输出镜腔73。布鲁斯特双轴锥体60通过一个锥体压环74被固定在输出镜腔73的一端。输出镜筒76的另一端通过一个锥形的第二泵浦头49(见图11)与第一密封盖46固定相连。
输出透镜70通过透镜压环72固定在输出镜腔73的另一端。第三密封盖78上还设有冷却液循环系统782。
可以理解，本文提到的各种角度，包括入射角θi＝32.4268°、布鲁斯特角θB＝61.2134°，都可以有±2分的角度公差。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (15)

1.一种径向偏振薄片激光器，其特征在于，包括沿激光光路方向上依次排列的泵浦源、准直透镜、聚焦透镜、激光增益介质、散热介质、布鲁斯特双轴锥体及输出透镜，其中，所述布鲁斯特双轴锥体包括两个相对的锥体和连接所述两个锥体的柱体，所述锥体的锥面与底面形成的夹角为布鲁斯特角，所述激光增益介质与所述散热介质相键合，所述激光增益介质与所述输出透镜之间形成激光谐振子腔，所述泵浦源发出的泵浦激光经过所述准直透镜和聚焦透镜后，聚焦于所述激光增益介质，产生的光子在所述激光谐振子腔内振荡，并最终从所述输出透镜输出径向偏振激光束；
所述径向偏振薄片激光器还包括凹面反射镜组，所述凹面反射镜组设置在所述激光增益介质与所述布鲁斯特双轴锥体之间，未被所述激光增益介质吸收的泵浦激光经所述凹面反射镜组反射后，重新进入所述激光增益介质。
2.如权利要求1所述的径向偏振薄片激光器，其特征在于，所述激光增益介质为掺杂浓度为5.0at％～15at％的Yb:YAG圆片或掺杂浓度为1.0at％～5.0at％的Nd:YAG圆片，所述Yb:YAG圆片或Nd:YAG圆片的厚度为0.2～0.5mm。
3.如权利要求2所述的径向偏振薄片激光器，其特征在于，所述散热介质的材料为YAG晶体，所述散热介质的厚度为所述激光增益介质的两倍。
4.如权利要求2所述的径向偏振薄片激光器，其特征在于，所述布鲁斯特双轴锥体的材料为YAG晶体，所述布鲁斯特角为61.2134°±2’。
5.如权利要求2所述的径向偏振薄片激光器，其特征在于，所述布鲁斯特双轴锥体的材料为石英，所述布鲁斯特角为55.4°±2’。
6.如权利要求1所述的径向偏振薄片激光器，其特征在于，所述凹面反射镜组包括七片内反射镜和八片外反射镜，所述七片内反射镜与所述聚焦透镜排列成以所述布鲁斯特双轴锥体的轴线为对称轴的内圆环，所述八片外反射镜排列成一个环绕所述内圆环的外圆环。
7.如权利要求2所述的径向偏振薄片激光器，其特征在于，所述激光增益介质远离所述布鲁斯特双轴锥体的一面设有对入射光高反、对出射光高反的第一双色光学膜，所述激光增益介质靠近所述布鲁斯特双轴锥体的一面设有对出射光高透、对入射光高透的第二双色光学膜。
8.如权利要求2所述的径向偏振薄片激光器，其特征在于，所述散热介质的两个底面均设有出射光高透膜。
9.如权利要求2所述的径向偏振薄片激光器，其特征在于，所述布鲁斯特双轴锥体的两个锥面分别设有出射光高透膜。
10.如权利要求1所述的径向偏振薄片激光器，其特征在于，还包括透镜座、第一泵浦头及第一密封盖，所述第一密封盖和所述第一泵浦头配合形成一个收容所述透镜座的泵浦腔，所述凹面反射镜组固定在所述透镜座上，所述第一密封盖内设有冷却液循环系统。
11.如权利要求2所述的径向偏振薄片激光器，其特征在于，还包括散热装置、第二密封盖及冷却装置，所述散热装置的一侧开设有容纳所述激光增益介质和所述散热介质的收容腔，所述第二密封盖固定设置在所述散热装置的该侧，所述冷却装置与所述第二密封盖相贴合，所述散热装置和所述第二密封盖上均设有冷却液循环系统。
12.如权利要求11所述的径向偏振薄片激光器，其特征在于，所述冷却装置和所述第二密封盖上共同开设有指向所述激光增益介质的锥形孔。
13.如权利要求2所述的径向偏振薄片激光器，其特征在于，还包括输出镜筒和第三密封盖，所述输出镜筒的一端与所述第三密封盖相配合形成输出镜腔，所述布鲁斯特双轴锥体被固定在所述输出镜腔的一端，所述输出透镜固定在所述输出镜腔的另一端，所述第三密封盖上还设有冷却液循环系统。
14.如权利要求1所述的径向偏振薄片激光器，其特征在于，所述泵浦源发出的泵浦激光的波长为940nm。
15.如权利要求1所述的径向偏振薄片激光器，其特征在于，所述径向偏振激光束的波长为1030nm。
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