CN109167248A - 一种非均匀正交偏振空心圆环激光器 - Google Patents

一种非均匀正交偏振空心圆环激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非均匀正交偏振空心圆环激光器，包括从左至右依次设置的平面环形镜(1)、平凹镜(2)、平面反射镜(3)、激光增益介质(6)、晶体轴锥(7)和玻璃轴锥(8)；所述平面反射镜(3)的正下方设置有泵浦源(5)和耦合光学系统(4)；晶体轴锥(7)、玻璃轴锥(8)与平凹镜(2)构成望远系统；激光增益介质(6)的左端面与平面环形镜(1)构成切向偏振激光谐振腔；激光增益介质(6)的左端面与平凹镜(2)构成径向偏振激光谐振腔。本发明通过晶体的双折射效应，获得了较大空心区域、理想的偏振纯度以及可同时输出两个非均匀正交偏振的空心圆环激光。

Description

一种非均匀正交偏振空心圆环激光器
技术领域
本发明涉及激光技术领域，特别是涉及一种非均匀正交偏振空心圆环激光器。
背景技术
激光器输出光束的偏振特性在光学检测、光通讯以及激光加工等领域已经得到了广泛的研究，然而这些工作多限于空间均匀的偏振光束，例如线偏振、圆偏振和椭圆偏振等。然而，在相同的条件下进行激光切割，金属材料对非均匀偏振激光束，例如，径向偏振、切向偏振、涡旋偏振或者轴对称偏振激光束，比均匀偏振激光束能够实现更高的能量吸收效率，可以提高2-4倍的加工效率。
目前产生非均匀偏振光束的方法大致可分为两类，即无源产生方法和有源产生方法。无源产生方法通常是利用模相干叠加或利用光学元件进行光束偏振态变换而获得不同类型的非均匀偏振激光束。例如利用模相干叠加、激光谐振腔外放置空间渐变的相位延迟器和液晶偏振转换器均可将空间偏振均匀的偏振光转换为径向偏振光或切向偏振光。随着系统微型化发展，微光学器件越来越多地用于产生非均匀偏振激光束，例如亚波长金属光栅或介质光栅可产生位相延迟，槽周期及方向随着位置变化而变化，可将入射的圆偏振光转换为轴对称偏振光束。如果将亚波长光栅制作成分块状并组成扇区结构，每个分块光栅相当于一个偏振器，将与栅条垂直的TM(Transverse Magnetic)偏振光透射，而将与栅条平行的TE(Transverse Electric)偏振光反射，则透射光束则为径向偏振光束。由于这种方法是被动选择光束的偏振态，与栅条平行的TE偏振光绝大部分反射掉，使得非均匀偏振光的转换效率较低，并且该方法对初始光束质量要求较高。无源方法虽然也可以获得较高偏振纯度的非均匀偏振激光束，但这种激光束并不是激光的本征态，传输到远场时会出现严重“托尾”现象。有源产生方法通常是在激光谐振腔内置入某些光学元件通过模式选择或模式叠加使激光束以特定模式振荡并从谐振腔输出到腔外。例如，利用模式选择器在He-Ne激光器中获得了径向偏振光束。光子晶体光栅也具有偏振选择能力，光子晶体光栅由多层具有高低不同折射率的同心三角凹槽光栅交替堆栈而成，因而对TE偏振光和TM偏振光具有不同的反射率。并且堆栈所产生的共振干涉效应加强了光栅对不同光场模式反射率的差别，如利用光子晶体光栅作为偏振选择输出耦合镜在Nd:YAG陶瓷微片中实现了径向偏振激光输出。但是，这些方法需要器件严格的对准、对腔内光束要求高以及对热透镜效应非常敏感，获得激光的偏振纯度也不够理想，并且所产生的光束中心理论上仅一点光强为零，在光场的中心存在相位和偏振不确定，会产生相位奇变点和偏振奇异点，严重影响了非均匀偏振光束的推广和应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种非均匀正交偏振空心圆环激光器，利用了晶体轴锥和玻璃轴锥的组合，通过晶体的双折射效应，获得了较大空心区域、理想的偏振纯度以及可同时输出两个非均匀正交偏振的空心圆环激光。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种非均匀正交偏振空心圆环激光器，包括从左至右依次设置的平面环形镜、平凹镜、平面反射镜、激光增益介质、晶体轴锥和玻璃轴锥；
所述平面反射镜的正下方设置有泵浦源和耦合光学系统，泵浦源产生的泵浦光经耦合光学系统和平面反射镜注入激光增益介质中；晶体轴锥、玻璃轴锥与平凹镜构成望远系统；激光增益介质的左端面与平面环形镜构成切向偏振激光谐振腔；激光增益介质的左端面与平凹镜构成径向偏振激光谐振腔。
进一步地，所述平面环形镜、平凹镜、平面反射镜、激光增益介质、晶体轴锥和玻璃轴锥的中心位于同一中心轴线上；所述平面反射镜与所述中心轴线成45°夹角，泵浦源和耦合光学系统的光传输方向竖直向上。
进一步地，所述晶体轴锥由方解石晶体制成，其锥角为90°，两个顶角均为45°，且晶体轴锥的光轴方向垂直于其底面；所述玻璃轴锥采用K9玻璃制成，其锥角为90°，两个顶角均为45°。
进一步地，所述平面环形镜对激光波长镀5％的介质膜；平凹镜对激光波长镀5％的介质膜；平面反射镜对泵浦波长镀高反射膜；激光增益介质的左端面对激光波长镀高反射膜，同时对泵浦波长镀增透膜；晶体轴锥的底面对激光波长镀增透膜，锥面对激光波长镀高反射膜；玻璃轴锥的锥面对激光波长镀高反射膜。
本发明的有益效果是：本发明利用了晶体轴锥和玻璃轴锥的组合，通过晶体的双折射效应，获得了较大空心区域、理想的偏振纯度以及可同时输出两个非均匀正交偏振的空心圆环激光。
附图说明
图1为本发明的激光器结构示意图；
图2为玻璃轴锥截面示意图；
图3为玻璃轴锥截面示意图；
图4为切向偏振激光示意图；
图5为径向偏振激光示意图；
图6为非均匀正交偏振圆环激光示意图；
图中，1-平面环形镜，2-平凹镜，3-平面反射镜，4-耦合光学系统，5-泵浦源，6-激光增益介质，7-晶体轴锥，8-玻璃轴锥。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种非均匀正交偏振空心圆环激光器，包括从左至右依次设置的平面环形镜1、平凹镜2、平面反射镜3、激光增益介质6、晶体轴锥7和玻璃轴锥8；
所述平面反射镜3的正下方设置有泵浦源5和耦合光学系统4，泵浦源5产生的泵浦光经耦合光学系统4和平面反射镜3注入激光增益介质6中；激光增益介质6的左端面与平面环形镜1构成切向偏振激光谐振腔；晶体轴锥7、玻璃轴锥8与平凹镜2构成望远系统，激光增益介质6的左端面与平凹镜2构成径向偏振激光谐振腔。所述平面环形镜1、平凹镜2、平面反射镜3、激光增益介质6、晶体轴锥7和玻璃轴锥8的中心位于同一中心轴线上。所述平面反射镜3与所述中心轴线成45°夹角。
所述泵浦源5采用半导体激光阵列，发出的激光束经耦合光学系统4采用端面泵浦方式经过平面反射镜3将泵浦光束注入到激光增益介质6内，且激光增益介质6的左端面作为谐振腔的输入镜；所述晶体轴锥7由方解石晶体制成，其锥角为90°，两个顶角均为45°，且晶体轴锥7的光轴方向垂直于其底面。如图2所示，所述玻璃轴锥8采用K9玻璃制成，其锥角为90°，两个顶角均为45°。平面环形镜1为径向偏振空心激光的输出镜；平凹镜2为切向偏振空心激光的输出镜，其焦距为f，焦点为F。
如图3所示，光束沿着光轴入射到晶体轴锥7时不发生双折射效应，当光束由晶体轴锥7的内侧锥面反射时光束方向不再沿着光轴方向，而发生了双折射效应；o光遵循正常反射定律，经过晶体轴锥7与玻璃轴锥8变换为平行光束，因此，晶体轴锥7和玻璃轴锥8构成望远系统。激光增益介质6的左端面与平面环形镜1构成o光谐振腔。沿着系统水平轴线作一个截面图，每一个截面的光束的振动方向都垂直与该截面，如图4所示，绕系统水平轴线旋转一周后逆着光束看，光束为切向偏振。而由于晶体的双折射效应，e光与o光产生走离效应，走离角为ρ，经过晶体轴锥7、玻璃轴锥8与平凹镜2变成平行光束，晶体轴锥7、玻璃轴锥8与平凹镜2构成望远系统，激光增益介质6的左端面与平凹镜2构成e光谐振腔。沿着系统水平轴线作一个截面图，每一个截面的光束的振动方向都平行与该截面，如图5所示，绕系统水平轴线旋转一周后逆着光束看，光束为径向偏振。因此，激光器输出光束的偏振分布为正交偏振空心圆环激光，如图6所示，空心圆环激光外环为切向偏振，内环为径向偏振。
在本申请的实施例中，泵浦波长(即泵浦源的输出光波长)为808nm，激光波长(即整个激光器的输出光波长)为1064nm，具体地，平面环形镜1的外口直径为50mm，内口直径为20mm,对1064nm波长镀5％的介质膜；平凹镜2的凹面焦距f＝15mm，对1064nm波长镀5％的介质膜；平面反射镜3对808nm波长镀高反射膜；光学耦合系统4采用芯直径为400μm的光纤和一对凸面相对且焦距为20mm平凸透镜组成，将泵浦源5输出的功率注入到激光增益介质6中；具体地，泵浦源5通过光纤将泵浦光垂直入射到两个平凸透镜中，泵浦光通过平凸透镜后耦合后，经平面反射镜3再注入激光增益介质6中；泵浦源5采用输出波长为808nm光纤耦合二极管阵列的半导体激光器；激光增益介质6采用Φ6mm×3mm、1.0at.％钕离子掺杂浓度的钇铝石榴石(Nd:YAG)晶体，对泵浦模块和Nd:YAG进行TEC致冷，且激光增益介质6的左端面作为谐振腔的输入镜对1064nm镀高反射膜，同时对808nm镀增透膜；晶体轴锥7对1064nm波长镀增透膜，锥面对1064nm波长镀高反射膜；玻璃轴锥8对1064nm波长镀高反射膜。激光增益介质6的左端面与平面环形镜1构成o光谐振腔，1064nm切向偏振空心光束由平面环形镜1输出；激光增益介质6的左端面与平凹镜2构成e光谐振腔，1064nm径向偏振空心光束由平面环形镜1输出。从而激光器输出1064nm正交偏振空心圆环激光，且外环为1064nm切向偏振，内环为1064nm径向偏振。
本发明利用了晶体轴锥和玻璃轴锥的组合，通过晶体的双折射效应，获得了较大空心区域、理想的偏振纯度以及可同时输出两个非均匀正交偏振的空心圆环激光。与现有技术相比：本发明输出光束具有较大的空心区域，即大的暗斑尺寸可在光学捕获、光学囚禁和生物光镊等领域有重要应用前景；并且具有极高偏振纯度，可作为光学扳手以及对生物细胞等精确控制有力工具；可同时输出两个非均匀正交偏振的空心圆环激光，可广泛应用于被动光学测距以及双折射效应的位移、振动和角度测量等。
需要说明的是，以上所述是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应该看作是对其他实施例的排除，而可用于其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种非均匀正交偏振空心圆环激光器，其特征在于：包括从左至右依次设置的平面环形镜(1)、平凹镜(2)、平面反射镜(3)、激光增益介质(6)、晶体轴锥(7)和玻璃轴锥(8)；
所述平面反射镜(3)的正下方设置有泵浦源(5)和耦合光学系统(4)，泵浦源(5)产生的泵浦光经耦合光学系统(4)和平面反射镜(3)注入激光增益介质(6)中；晶体轴锥(7)、玻璃轴锥(8)与平凹镜(2)构成望远系统；激光增益介质(6)的左端面与平面环形镜(1)构成切向偏振激光谐振腔；激光增益介质(6)的左端面与平凹镜(2)构成径向偏振激光谐振腔。
2.根据权利要求1所述的一种非均匀正交偏振空心圆环激光器，其特征在于：所述平面环形镜(1)、平凹镜(2)、平面反射镜(3)、激光增益介质(6)、晶体轴锥(7)和玻璃轴锥(8)的中心位于同一中心轴线上。
3.根据权利要求2所述的一种非均匀正交偏振空心圆环激光器，其特征在于：所述平面反射镜(3)与所述中心轴线成45°夹角。
4.根据权利要求1所述的一种非均匀正交偏振空心圆环激光器，其特征在于：所述晶体轴锥(7)由方解石晶体制成，其锥角为90°，两个顶角均为45°，且晶体轴锥(7)的光轴方向垂直于其底面。
5.根据权利要求1所述的一种非均匀正交偏振空心圆环激光器，其特征在于：所述玻璃轴锥(8)采用K9玻璃制成，其锥角为90°，两个顶角均为45°。
6.根据权利要求1所述的一种非均匀正交偏振空心圆环激光器，其特征在于：所述平面环形镜(1)对激光波长镀5％的介质膜；平凹镜(2)对激光波长镀5％的介质膜；平面反射镜(3)对泵浦波长镀高反射膜；激光增益介质(6)的左端面对激光波长镀高反射膜，同时对泵浦波长镀增透膜；晶体轴锥(7)的底面对激光波长镀增透膜，锥面对激光波长镀高反射膜；玻璃轴锥(8)的锥面对激光波长镀高反射膜。
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