CN107492784A - 改善不对称光斑输出的激光器 - Google Patents

Abstract

改善不对称光斑输出的激光器涉及激光器技术领域，解决激光器激光输出光斑不对称性的问题，激光器包括：泵浦模块、增益介质和光学谐振腔，光学谐振腔包括输出镜、偏振片、多面棱镜、全反射镜和90度线偏振旋转器；光束经多面棱镜发生三次全反射实现光束90°转像，光束在光学谐振腔中多次振荡多次经过多面棱镜90°转像，改变原有的光束能量分部不均匀问题，得到对称的光斑输出。同时不产生多余的泵浦损耗，负效应低，适用范围广。

Description

改善不对称光斑输出的激光器

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种改善不对称光斑输出的激光器。

背景技术

激光输出的对称性自激光器发明以来，一直是激光器应用的一个重要考核指标。泵浦模块或泵浦源产生的泵浦光不均匀对激光输出对称性的影响很大。目前改善激光输出光斑的对称性的主要有限制激光模式和改善泵浦光场对称性等方法。

限制激光模式的方法泵浦光利用率低，转化效率低，会浪费绝大多数的泵浦光能量，为了获得较高能量输出，需要采用更强泵浦光进行泵浦，由此引发激光器的散热、双折射等一系列问题。改善泵浦光场对称性是通过改善泵浦光均匀泵浦来改善激光对称性，要求泵浦光进入到增益介质内部具有良好的对称性。这对于一些要求紧凑，或对尺寸有较高要求的小型化激光器系统是难以实现的。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了改善不对称光斑输出的激光器，该激光器在不浪费泵浦光能量的前提下，改善因泵浦模块本身的不均匀泵浦而带来的输出光斑不对称的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

改善不对称光斑输出的激光器，多面棱镜、偏振片、90度线偏振旋转器、全反射镜、泵浦模块、增益介质和输出镜；

所述泵浦模块产生泵浦光照射增益介质，经增益介质产生两束传输方向相反的光束，一束经输出镜反射、再经增益介质增益后入射至偏振片，另一束直接入射至偏振片；入射至偏振片上的光束被偏振片分成一束透射光和一束反射光，所述透射光依次经多面棱镜90°转像、全反射镜反射、90度线偏振旋转器偏振90°改变、偏振片反射、增益介质增益后入射到输出镜；所述反射光依次经90度线偏振旋转器偏振90°改变、全反射镜反射、多面棱镜90°转像、偏振片透射、增益介质增益后入射到输出镜；入射到输出镜的光束一部分透射输出，另一部分依次经输出镜反射、增益介质增益后入射到偏振片，重复上述过程，直至经输出镜透射输出。

进一步的，所述多面棱镜中的反射面均镀有输出激光波长的全反射膜。

进一步的，所述偏振片与经增益介质传输的光束的传输方向呈45°夹角。

进一步的，所述全反射镜与偏振片平行设置，入射到所述多面棱镜的光束与经多面棱镜全反射后出射的光束平行且传输方向相反。

进一步的，所述多面棱镜的反射面镀有消除相位延时的反射膜。

进一步的，所述的改善不对称光斑输出的激光器，其特征在于，所述90度线偏振旋转器选用90度旋光器、半波片或者加二分之一波长电压的电光晶体。

进一步的，采用至少三块转像全反射镜代替多面棱镜。

本发明的有益效果是：本发明通过光学谐振腔中多面棱镜对光束三次全反射实现光路转像，改善因泵浦模块或泵浦源产生的泵浦光某一方向不均匀导致的光斑不对称的问题，同时不产生多余的泵浦损耗，负效应低，适用范围广。

附图说明

图1为本发明改善不对称光斑输出的激光器装置图。

图2为本发明改善不对称光斑输出的激光器沿图1中A-A线的多面棱镜内光束传输剖面图。

图3为本发明改善不对称光斑输出的激光器多面棱镜中光束转像示意图。

其中：1、多面棱镜；2、偏振片；3、90度线偏振旋转器；4、全反镜；5、泵浦模块；6、增益介质；7、输出镜。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明改善不对称光斑输出的激光器装置图，包括多面棱镜1、偏振片2、90度线偏振旋转器3、全反射镜4、泵浦模块5、增益介质6和输出镜7。其中偏振片2、多面棱镜1、全反射镜4、90度线偏振旋转器3和输出镜7共同构成光学谐振腔，通常光学谐振腔包括腔体两端分别设有的反射镜模块A和反射镜模块B，即输出镜7构成了光学谐振腔腔体一侧的反射镜模块A，偏振片2、多面棱镜1、全反射镜4和90度线偏振旋转器3共同构成了光学谐振腔腔体另一侧的反射镜模块B。

90度线偏振旋转器3是能将水平偏振方向的线偏振光转化为垂直偏振方向的线偏振光，将垂直偏振方向的线偏振光转化为水平偏振方向的线偏振光。90度线偏振旋转器3可以选用是90度旋光器、半波片或者加二分之一波长电压的电光晶体。

多面棱镜1的作用是对入射的光束进行多次全反射，实现出射的光束发生90°转像。

泵浦模块5产生泵浦光照射增益介质6，增益介质6产生两束传输方向相反的光束，一束入射到输出镜7发生反射，经增益介质6传输至偏振片2，另一束入射到偏振片2，入射到偏振片2的两束光的光路相同(两束光以相同的方向、角度入射到偏振片2上的同一位置)，光束经偏振片2分成一束透射光和一束反射光，透射光依次入射至多面棱镜1多次全反射实现光束90°转像、全反射镜4反射、90度线偏振旋转器3偏振态改变(s偏振光与p偏振光相互转变)、偏振片2反射和增益介质6增益后，入射到输出镜7；反射光依次传输到90度线偏振旋转器3偏振变化态改变(s偏振光与p偏振光相互转变)、全反射镜4反射、多面棱镜4多次全反射实现光束90°转像、偏振片2透射和增益介质6增益后，入射到输出镜7；入射到输出镜7的光束，一部分光束经输出镜7透射输出，另一部分光束经输出镜7反射，继续在光学谐振腔中振荡增益直至输出(经输出镜7反射，经增益介质6增益入射到偏振片2，重复按照上述过程继续传输直至经输出镜7输出)。

本实施方式中，多面棱镜1的反射面(三个面)均镀有输出激光波长的全反射膜，光束经这三个面分别发生一次全反射实现光束90°转像，光束入射至多面棱镜1内，在多面棱镜1内发生三次全反射，出射光束的相对于入射光束发生90°的转像，光束在多面棱镜1内发生三次全反射的反射光路图如图2所示。

多面棱镜1可用转像全反射镜(即具有全反射功能的镜片)替换，实现光束90°转像；转像全反射镜的数量至少为三块。以三块转像全反射镜替换多面棱镜1为例(三块转像全反射镜称为第一转像全反射镜、第二转像全反射镜和第三转像全反射镜)：光束在入射光束与出射光束的光束能量方向经所述第一转像全反射镜、第二转像全反射镜和第三转像全反射镜顺序或逆序依次全反射发生90°变化，实现光束90°转像。即改善不对称光斑输出的激光器，包括泵浦模块5、增益介质6和光学谐振腔，光学谐振腔包括输出镜7、偏振片2、第一转像全反射镜、第二转像全反射镜、第三转像全反射镜、全反射镜4和90度线偏振旋转器3。泵浦模块5产生泵浦光，泵浦光经增益介质6振荡增益后传输至偏振片2和传输至输出镜7发生反射经增益介质6传输至偏振片2，经偏振片2分成一束透射光和一束反射光，透射光传输到第一转像全反射镜，依次连续的经第一转像全反射镜、第二转像全反射镜和第三转像全反射镜三次全反射，实现光束90°转像，顺次传输至全反射镜4发生全反射、90度线偏振旋转器3发生偏振变化和偏振片2发生反射；反射光传输到90度线偏振旋转器3，发生偏振变化，传输至全反射镜4发生全反射后，光束依次连续的经过第三转像全反射镜、第二转像全反射镜和第一转像全反射镜全反射实现光束90°转像，再传输至偏振片2发生透射；透射光和反射光经偏振片2分别发生反射和发生透射后合成一束合成光束，合成光束通过增益介质6传输到输出镜7，入射到输出镜7的光束，一部分光束经输出镜7透射输出，另一部分光束经输出镜7反射，继续在光学谐振腔中振荡增益直至输出(经输出镜7反射，经增益介质6增益入射到偏振片2，重复按照上述过程继续传输直至经输出镜7输出)。

光束的转像示意图如图3所示，呈条状的光束仅为示意性的表示光束经多面棱镜1三次全反射的转像过程，图3中条状的光束均表示光束的能量分布方向，如图中垂直和水平的条状分别表示光束能量呈垂直和水平分布，若垂直条状的光束的能量超过阈值，输出的激光光斑呈垂直态；若水平条状的光束的能量超过阈值，输出的激光光斑将呈水平态。下文提及的水平p偏振的光束、水平s偏振的光束、垂直p偏振的光束和垂直s偏振的光束中的“水平”和“垂直”均表示光束的能量分布方向。

实现对称光斑的原理：若泵浦模块5水平方向泵浦较强，水平方向上的光束能量高于垂直方向，则会输出横椭圆形的光斑；若泵浦模块5垂直方向泵浦较强，垂直方向上的光束能量高于水平方向，则会输出竖椭圆形的光斑。泵浦模块5产生的以s偏振和p偏振横向分布的光子多于以s偏振和p偏振纵向分布的光子，偏振片2选用p偏振态高透s偏振态高反的偏振片2。所选泵浦模块5与增益介质6共同作用发射的光束中，水平p偏振的光束透过偏振片2，经多面棱镜1三次全反射后光束90°转像变成垂直p偏振的光束，经全反射镜4反射后，经90度线偏振旋转器3后垂直p偏振的光束变成垂直s偏振的光束，再经偏振片2反射，通过增益介质6到达输出镜7，垂直s偏振的光束中超过阈值的部分输出，即输出的为垂直的光束得到垂直光斑，未超过阈值的部分输出的光束在输出镜7表面发生反射，依次经增益介质6振荡增益、偏振片2反射、90度线偏振旋转器3变偏振、多面棱镜1三次全反射光束90°转像、偏振片2透射和增益介质6增益，传输至输出镜7，此时光束为水平p偏振的光束，其中超过阈值的输出光束为水平的光束，得到水平光斑，未输出部分继续在光学谐振腔中振荡。泵浦模块5与增益介质6共同作用发射的光束中，水平p偏振的光束，经光学谐振腔奇数次振荡后能够输出垂直s偏振的光束，偶数次振荡后输出能够水平s偏振；水平s偏振的光束，经光学谐振腔奇数次振荡后能够输出垂直p偏振的光束，偶数次振荡后输出能够水平s偏振；垂直p偏振的光束经光学谐振腔奇数次振荡后输出水平s偏振的光束，偶数次振荡后输出垂直p偏振；垂直s偏振的光束经光学谐振腔奇数次振荡后输出水平p偏振的光束，偶数次振荡后输出垂直s偏振。也就是泵浦模块5产生的泵浦光在光学谐振腔内多次往返振荡，不管泵浦模块5的泵浦是否不对称或如何不对称，均实现了水平光斑与垂直光斑的等次数输出，实现激光器输出对称的光斑。

本实施方式中，90度线偏振旋转器3选用90度旋光器。

本实施方式中，全反射镜4上镀有激光输出波长的反射膜。

本实施方式中，泵浦模块5选用水平方向泵浦较强的泵浦模块。

本实施方式中，如图1所示，偏振片2与经增益介质6传输的光束的传输方向呈45°，入射到多面棱镜1的入射光束与经多面棱镜1全反射后出射的出射光束平行且传输方向相反，全反射镜4与偏振片2平行设置。优点为激光器装调方便，且节省空间、减小装置体积。

本实施方式中，多面棱镜1的反射面的反射膜为消除相位延时的反射膜，防止反射前后相位差的产生，防止在多面棱镜1全反射光束的过程中的相位延时，以保证不同偏振态的线偏振光进入多面棱镜1发生多次全反射后，偏振态保持不变，降低光束能量损耗。

Claims (7)

1.改善不对称光斑输出的激光器，其特征在于，包括：多面棱镜(1)、偏振片(2)、90度线偏振旋转器(3)、全反射镜(4)、泵浦模块(5)、增益介质(6)和输出镜(7)；

所述泵浦模块(5)产生泵浦光照射增益介质(6)，经增益介质(6)产生两束传输方向相反的光束，一束经输出镜(7)反射、再经增益介质(6)增益后入射至偏振片(2)，另一束直接入射至偏振片(2)；入射至偏振片(2)上的光束被偏振片(2)分成一束透射光和一束反射光，所述透射光依次经多面棱镜(1)90°转像、全反射镜(4)反射、90度线偏振旋转器(3)偏振90°改变、偏振片(2)反射、增益介质(6)增益后入射到输出镜(7)；所述反射光依次经90度线偏振旋转器(3)偏振90°改变、全反射镜(4)反射、多面棱镜(1)90°转像、偏振片(2)透射、增益介质(6)增益后入射到输出镜(7)；入射到输出镜(7)的光束一部分透射输出，另一部分依次经输出镜(7)反射、增益介质(6)增益后入射到偏振片(2)，重复上述过程，直至经输出镜(7)透射输出。

2.如权利要求1所述的改善不对称光斑输出的激光器，其特征在于，所述多面棱镜(1)中的反射面均镀有输出激光波长的全反射膜。

3.如权利要求1所述的改善不对称光斑输出的激光器，其特征在于，所述偏振片(2)与经增益介质(6)传输的光束的传输方向呈45°夹角。

4.如权利要求1所述的改善不对称光斑输出的激光器，其特征在于，所述全反射镜(4)与偏振片(2)平行设置，入射到所述多面棱镜(1)的光束与经多面棱镜(1)全反射后出射的光束平行且传输方向相反。

5.如权利要求1所述的改善不对称光斑输出的激光器，其特征在于，所述多面棱镜(1)的反射面镀有消除相位延时的反射膜。

6.如权利要求1所述的改善不对称光斑输出的激光器，其特征在于，所述90度线偏振旋转器(3)选用90度旋光器、半波片或者加二分之一波长电压的电光晶体。

7.如权利要求1至6中任意一项所述的改善不对称光斑输出的激光器，其特征在于，采用至少三块转像全反射镜代替多面棱镜(1)。