CN110492344A - 无退偏损耗Nd:YAG环形腔单频激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无退偏损耗Nd:YAG环形腔单频激光器,沿着光路方向依次设置:至少一块内置有Nd:YAG晶体的泵浦模块；一个法拉第旋光器；一片二分之一波片；一片法布里珀罗标准具；以及不少于三片的腔镜；一片薄膜偏振片沿光束单向传播方向放置在法拉第旋光器与二分之一波片后方。腔内薄膜偏振片、法拉第旋光器、二分之一波片组成谐振腔内的单向器，强迫腔内激光束以p偏振光形式单向运行，消除腔内空间烧空效应，实现单频激光输出。
Description
技术领域
本发明涉及一种固体激光器谐振腔，特别是一种无退偏损耗Nd:YAG环形腔单频激光器。
背景技术
高功率单频固体激光器在科学研究及测量中有非常广泛的应用。单向运转环形腔是实现高功率单频固体激光输出的主要技术路线。目前单向运转环形腔单频激光器主要使用各向异性介质Nd:YVO作为激光晶体，由于Nd:YVO晶体发射线偏振光，Nd:YVO晶体内不存在热致双折射效应，所以环形腔内不存在热退偏损耗，谐振腔能够输出较高的单频激光功率。根据文献报道，使用Nd:YVO晶体，环形腔单频激光器1064nm最高输出功率可达101W，其光光转换效率高达40%以上。而对于目前使用最为广泛的Nd:YAG晶体，尽管该晶体具有优良的热光综合特性，但环形腔Nd:YAG单频激光器输出功率及效率都很低，其原因为：由于Nd:YAG晶体各向同性，晶体发射非偏振光，为保证腔内光束单向运转，腔内必须放置薄膜偏振片，该薄膜偏振片对腔内s偏振光反射率通常不低于99.5%，对p偏振光透射率约为97%，谐振腔内p偏振光单向运行，输出光束从谐振腔输出耦合镜输出；由于当Nd:YAG晶体棒被高功率泵浦时，晶体内存在很强的热致双折射效应，当线偏振光经过该Nd:YAG晶体棒时，每一点入射光都会分解为径向与切向两束偏振光。当这些晶体出射退偏光束入射到薄膜偏振片上，会产生两种损耗，一种是入射光束中s偏振光被完全反射，形成热退偏损耗；另一种损耗为入射到薄膜偏振片上p偏振光透射率约为97%，将会有2～3%的p偏振光被薄膜偏振片反射。这两种损耗严重限制环形腔单频Nd:YAG激光器的输出功率 。根据文献报道，环形腔Nd:YAG晶体单频激光器最大输出功率仅为31.9W，且其光光转换效率不到10%。本发明针对以上问题，提出并实现了一种消除上述两种损耗的Nd:YAG环形腔单频固体激光器谐振腔新结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、能消除Nd:YAG环形腔单频激光器热退偏损耗，同也能避免及薄膜偏振片对P偏振光2～3%反射损耗的无退偏损耗Nd:YAG环形腔单频激光器。
本发明提供的无退偏损耗Nd:YAG环形腔单频激光器,沿着光路方向依次设置:至少一块内置有Nd:YAG晶体的泵浦模块；一个法拉第旋光器；一片二分之一波片；一片法布里珀罗标准具；以及不少于三片的腔镜；在任意相邻的两片腔镜之间设置有一片薄膜偏振片。
上述中，腔内薄膜偏振片对p偏振光透射率较高，而对腔内s偏振光反射率可达99.5%，薄膜偏振片、二分之一波片以及法拉第旋光器构成单向器，迫使腔内p偏振光单向振荡，而s偏振光由于反射损耗较大，无法振荡。
上述中，谐振腔内薄膜偏振片反射光束为其输出光束，输出光束为薄膜偏振片所反射的s偏振光及p偏振光的迭加，其偏振态为椭圆偏振光。
上述中，该泵浦模块为端面泵浦、侧面泵浦或板条泵浦结构。
上述中，腔镜为平面或曲面全反射镜。
上述中，腔内可以插入主动或被动调Q器件，以产生脉冲单频激光输出。
上述中，环形激光谐振腔输出波长为1064nm、1913nm以及946nm。
本发明谐振腔中的腔镜对谐振腔内激光束全反射，薄膜偏振片对入射s偏振光反射率为99.5%以上，对p偏振光反射率与泵浦功率相匹配，腔内光束以布儒斯特角入射到薄膜偏振片。该薄膜偏振片具有两个作用，第一是在腔内充当偏振器件，以保证p偏振光束在环形腔内低损耗运转；第二个作用是充当输出耦合镜，入射到薄膜偏振片上的s偏振光被完全反射输出，同时入射到薄膜偏振片上的p偏振光一部分被反射输出，谐振腔输出光束应为上述两种相互垂直偏振光束的叠加，输出光束偏振态应为椭圆偏振光。为保证谐振腔输出功率最大，薄膜偏振片对p偏振光的反射率应当与泵浦功率相匹配；薄膜偏振片与加磁场的法拉第旋光器、二分之一波片构成腔内单向器，该单向器使腔内运转s偏振光有较大的损耗，抑制s偏振光在腔内振荡，从而强迫腔内p偏振光单向运行，在模式竞争的作用下，获得单频激光输出。法布里珀罗标准具其作用是防止激光器单频运转时出现跳模现象。
本发明与已有的环形腔Nd:YAG单频腔相比较具有以下优点：
1） 本发明利用环形腔内薄膜偏振片对光束的反射作为激光器的输出，传统Nd:YAG环形腔内的薄膜偏振片对p偏振光2～3%的反射损耗能够被消除。
2） 本发明所设计谐振腔无专门的输出耦合镜，腔内光束由薄膜偏振片反射输出，薄膜偏振片所反射光束是由腔内单向运转的p偏振光以及退偏所产生的p偏振光叠加而成，输出光束偏振态为椭圆偏振光，谐振腔内由于热致双折射所引起的退偏损被完全消除，激光器输出功率和效率会获得显著提高。
附图说明
图1为本发明第一种实施方式的光路图。
图2为本发明第二种实施方式的光路图。
图3为图2的输出功率曲线。
图4为图2的共焦球面扫描干涉仪扫描结果。
图5为图2的格兰泰勒棱镜透射功率曲线。
在图中，1-为泵浦模块、2-法拉第旋光器、3-二分之一波片、4-法布里珀罗标准具、5-第一腔镜、6-薄膜偏振片、7-第二腔镜、8-第三腔镜和9-第四腔镜。
具体实施方式
实施例一：
参照图1，本发明提供的无退偏损耗Nd:YAG环形腔单频激光器,沿着光路方向依次设置:一块内置有Nd:YAG晶体的泵浦模块1，泵浦模块1端面泵浦结构；一个法拉第旋光器2；一片二分之一波片3；一片法布里珀罗标准具4；三片腔镜，腔镜为平面全反射镜，三片腔镜沿光路方向依次包括第一腔镜5、第二腔镜7和第三腔镜8；在第一腔镜5、第二腔镜7之间设置有一片薄膜偏振片6。
薄膜偏振片6对p偏振光透射率较高，而对腔内s偏振光反射率可达99.5%，薄膜偏振片6、二分之一波片3以及法拉第旋光器2构成单向器，迫使腔内p偏振光单向振荡，而s偏振光由于反射损耗较大，无法振荡。薄膜偏振片6反射光束为其输出光束，输出光束为薄膜偏振片6所反射的s偏振光及p偏振光的迭加，其偏振态为椭圆偏振光。
本发明工作时，由泵浦模块1发射的激光束经过法拉第旋光器2时，光束中的s和p偏振光被旋转45°，再经过二分之一波片3时，法拉第旋光器2对s和p偏振光的旋转可以获得完全补偿，光束偏振态与进入法拉第旋光器2前的偏振态完全相同；当光束入射到薄膜偏振片6时，光束中的s偏振光被薄膜偏振片6反射，同时光束中的一部分p偏振光也被薄膜偏振片6反射，薄膜偏振片6所反射光束即为环形腔输出光束，输出激光波长为1064nm；由于输出光束薄膜偏振片6反射s偏振光与p偏振光的叠加，其偏振态应为椭圆偏振光。腔内与上述方向反方向运转的s偏振光经过二分之一波片及法拉第旋光器2后变为p偏振光，损耗较大，将无法在腔内振荡，所以本发明能够单向运转，在模式竞争效应的作用下输出单频激光。法布里珀罗标准具4主要用来增大相邻纵模损耗差，防止出现跳模。与现有Nd:YAG环形腔单频激光谐振腔相比较，由于热致双折射效应所产生的s偏振光被薄膜偏振片反射输出，退偏损耗被完全消除。
实施例二：
参照图2，本发明提供的无退偏损耗Nd:YAG环形腔单频激光器,沿着光路方向依次设置:一块内置有Nd:YAG晶体的泵浦模块1；一个法拉第旋光器2；一片二分之一波片3；一片法布里珀罗标准具；四片腔镜，腔镜为平面全反射镜，三片腔镜沿光路方向依次包括第一腔镜5、第二腔镜7、第四腔镜9和第三腔镜8；在第二腔镜7、第四腔镜9之间设置有一片薄膜偏振片6。
薄膜偏振片6对p偏振光透射率较高，而对腔内s偏振光反射率可达99.5%，薄膜偏振片6、二分之一波片3以及法拉第旋光器2构成单向器，迫使腔内p偏振光单向振荡，而s偏振光由于反射损耗较大，无法振荡。薄膜偏振片6反射光束为其输出光束，输出光束为薄膜偏振片6所反射的s偏振光及p偏振光的迭加，其偏振态为椭圆偏振光。
由于腔镜第一腔镜5、第二腔镜7、第四腔镜9和第三腔镜8均为平面或曲面全反射镜，腔内s偏振光振荡被被薄膜偏振片反射输出腔外，s偏振光损耗高，无法在腔内振荡，而p偏振光可在腔内单向运转。腔内光束由薄膜偏振片7反射输出，反射光束为薄膜偏振片反射s偏振光与p偏振光叠加，偏振态应为椭圆偏振光。由于腔内p偏振光单向运转，Nd:YAG晶体内的空间烧空被消除，在模式竞争作用下，实现单频。
以下为利用图2所示装置的具体实施结果：使用时，泵浦模块1采用侧面泵浦，模块内Nd:YAG激光棒直径为2mm，激光棒两端面镀1064nm增透膜；第一腔镜5、第二腔镜7、第四腔镜9和第三腔镜8均为1064nm平面全反射镜；腔内薄膜偏振片6为石英玻璃薄膜偏振片，光束以布儒斯特角（约55.4°）入射到薄膜偏振片薄膜偏振片6，薄膜偏振片6镀有介质膜，其对s偏振光反射率为99.5%，对p偏振光透射率约在97～98%之间。薄膜偏振片6与腔内二分之一波片3与法拉第旋光器2构成单向器，腔内激光束沿侧面泵浦模块1、法拉第旋光器2、二分之一波片3以及法布里珀罗标准具4的顺序逆时针方向单向传输，薄膜偏振片6反射光束即为谐振腔输出激光束。
图3为薄膜偏振片反射输出功率曲线，图4为利用自由光谱区为3.75GHz的共焦球面扫描干涉仪对环形腔输出光束扫描所得结果，从图4可以直观看出激光器输出光束为单频激光。为测量输出光束偏振态，在薄膜偏振片反射输出光束方向放置泰勒棱镜，将泰勒棱镜透偏轴起始方向与腔内p偏振光保持平行，将测量棱镜透偏轴旋转一周，测量由棱镜透射激光的功率随棱镜透偏轴方向变化曲线，测量结果如图5所示。由测量可得，泰勒棱镜输出最大功率为3.95W，最小功率为约为0.015W，棱镜最大透偏方向与腔内偏振光夹角约为16°，输出光束近似为线偏振光。根据偏振光合成理论，输出光束应为薄膜偏振片反射p偏振光与s偏振光的叠加，其偏振态应为椭圆偏振光，但由于薄膜偏振片对p偏振光反射率太低，当泰勒棱镜透偏方向为零度，薄膜偏振片输出p偏振光功率太低，仅为0.18W，当泰勒棱镜透偏方向为90度时，薄膜偏振片输出s偏振光功率为3.8W，薄膜偏振片反射输出p偏振光功率远小于s偏振光，所以合成椭圆偏振光退化为线偏振光。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种无退偏损耗Nd:YAG环形腔单频激光器,其特征在于，沿着光路方向依次设置:至少一块内置有Nd:YAG晶体的泵浦模块；一个法拉第旋光器；一片二分之一波片；一片法布里珀罗标准具；以及不少于三片的腔镜；在任意相邻的两片腔镜之间设置有一片薄膜偏振片。
2.根据权利要求1所述的无退偏损耗Nd:YAG环形腔单频激光器,其特征在于，腔内薄膜偏振片对p偏振光透射率较高，而对腔内s偏振光反射率可达99.5%，薄膜偏振片、二分之一波片以及法拉第旋光器构成单向器，迫使腔内p偏振光单向振荡，而s偏振光由于反射损耗较大，无法振荡。
3.根据权利要求1和2所述的无退偏损耗Nd:YAG环形腔单频激光器,其特征在于，谐振腔内薄膜偏振片反射光束为其输出光束，输出光束为薄膜偏振片所反射的s偏振光及p偏振光的迭加，其偏振态为椭圆偏振光。
4.根据权利要求1所述的无退偏损耗Nd:YAG环形腔单频激光器,其特征在于，该泵浦模块为端面泵浦、侧面泵浦或板条泵浦结构。
5.根据权利要求1所述的无退偏损耗Nd:YAG环形腔单频激光器,其特征在于，腔镜为平面或曲面全反射镜。
6.根据权利要求1或2所述的无退偏损耗Nd:YAG环形腔单频激光器,其特征在于，腔内可以插入主动或被动调Q器件，以产生脉冲单频激光输出。
7.根据权利要求1和2所述的无退偏损耗Nd:YAG环形腔单频激光器,其特征在于，环形激光谐振腔输出波长为1064nm、1913nm以及946nm。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20191122 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |