CN110718852A - 一种偏振合束装置及方法 - Google Patents

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CN110718852A CN201910917243.4A CN201910917243A CN110718852A CN 110718852 A CN110718852 A CN 110718852A CN 201910917243 A CN201910917243 A CN 201910917243A CN 110718852 A CN110718852 A CN 110718852A
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俞浩
潘华东
廖新胜
李泉灵
王俊
闵大勇
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Abstract

本发明公开了一种偏振合束装置及方法，该装置包括：第一半波片，用于接收外部射入的第一束激光，将第一束激光转换为垂直线偏振光；第二半波片，用于接收外部射入的第二束激光，将第二束激光转换为水平线偏振光；控制器，连接第一半波片和第二半波片，根据第一束激光与水平方向的第一夹角调节第一半波片的光轴位置，和/或，根据第二束激光与水平方向的第二夹角调节第二半波片的光轴位置；偏振合束组件，用于接收垂直线偏振光和水平线偏振光，将垂直线偏振光和水平线偏振光进行合束并输出。通过实施本发明，可以使得输出第一半波片和第二半波片的光束为垂直线偏振光或水平线偏振光，提高了合束的效率，保证了激光系统的安全性与稳定性。

Description

一种偏振合束装置及方法
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种偏振合束装置及方法。
背景技术
偏振合束是利用偏振合束器件，例如偏振分束立方体或者布儒斯特偏振片，将两束不同偏振态(垂直偏振态和水平偏振态)的光束合束在一起。这样可以使输出光束的光束质量不发生变化的前提下，输出功率增加一倍。
然而，在实际情况中，激光器输出的激光并不完全具有单一的偏振态，因此采用目前的激光合束装置合束效率偏低，未能通过合束输出的光则会通过其他方向输出。尤其对于半导体激光器来说，由于封装时应力的影响，其输出光束很难保证单一的偏振态。未能合束的光将被壳体吸收，产生大量废热。这些废热将会对激光系统的热管理带来很大压力，恶化至一定程度后甚至会导致光学器件烧毁，影响激光系统的稳定性和安全性。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种偏振合束装置及方法，以解决现有技术中由于激光器输出的激光并不具有单一的偏振态，因此采用目前的激光合束装置合束效率偏低的技术问题。
本发明提出的技术方案如下：
本发明实施例第一方面提供一种偏振合束装置，该偏振合束装置包括：第一半波片，用于接收外部射入的第一束激光，将所述第一束激光转换为垂直线偏振光；第二半波片，用于接收外部射入的第二束激光，将所述第二束激光转换为水平线偏振光；控制器，连接所述第一半波片和所述第二半波片，用于根据所述第一束激光与水平方向的第一夹角调节所述第一半波片的光轴位置，和/或，根据所述第二束激光与水平方向的第二夹角调节所述第二半波片的光轴位置；偏振合束组件，用于接收所述垂直线偏振光和所述水平线偏振光，将所述垂直线偏振光和所述水平线偏振光进行合束并输出。
可选地，所述第一半波片的光轴与所述第一束激光偏振态的夹角为
Figure BDA0002216468020000021
或
Figure BDA0002216468020000022
其中，θ1表示第一束激光的偏振方向与水平方向的第一夹角。
可选地，所述第二半波片的光轴与所述第二束激光偏振态的夹角为
Figure BDA0002216468020000023
或
Figure BDA0002216468020000024
其中，θ2表示第二束激光的偏振方向与水平方向的第二夹角。
可选地，所述偏振合束组件为偏振合束镜组。
可选地，所述偏振合束镜组包括：两个棱镜，所述两个棱镜的胶合面设置有偏振分束膜。
可选地，所述两个棱镜为两个直角棱镜。
可选地，所述两个棱镜包括：一个直角棱镜和一个平行四边形棱镜。
可选地，所述偏振合束组件为布儒斯特偏振片。
可选地，该偏振合束装置还包括：反射镜，设置于所述第一半波片与所述偏振合束组件之间和/或所述第二半波片与所述偏振合束组件之间，用于偏转所述垂直线偏振光或所述水平线偏振光的传播方向，使所述垂直线偏振光或所述水平线偏振光射入所述偏振合束组件。
本发明实施例第二方面提供一种偏振合束方法，该方法包括：获取第一束激光的偏振方向与水平方向的第一夹角及第二束激光的偏振方向与水平方向的第二夹角；根据所述第一夹角调节第一半波片的光轴位置，通过所述第一半波片接收外部射入的第一束激光，将所述第一束激光转换为垂直线偏振光；和/或，根据所述第二夹角调节第二半波片的光轴位置，通过所述第二半波片接收外部射入的第二束激光，将所述第二束激光转换为水平线偏振光；通过偏振合束组件接收所述垂直线偏振光和所述水平线偏振光，将所述垂直线偏振光和所述水平线偏振光进行合束并输出。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明实施例提供的偏振合束装置及方法，通过设置第一半波片和第二半波片分别对外部射入的第一束激光的偏振方向和第二束激光的偏振方向进行旋转，可以使得输出第一半波片和第二半波片的光束为垂直线偏振光或水平线偏振光，采用偏振合束组件对该垂直线偏振光和水平线偏振光进行合束时，可以提高合束的效率，解决了现有技术中由于激光器输出的激光并不具有单一的偏振态，偏振合束时合束效率偏低的技术问题。同时由于较高的合束效率使得不能从输出面导出的光大大减小，保证了在偏振合束过程中的安全性与稳定性。此外，采用该偏振合束装置对半导体激光器输出的激光进行合束时，可以减少废热的产生，降低激光系统的热管理的压力，保证激光系统的稳定性和安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中偏振合束装置的结构框图；
图2A为理想状态下第一半波片角度旋转示意图，图2B为理想状态下第二半波片角度旋转示意图；
图3A为本发明实施例中偏振合束装置的第一半波片角度旋转示意图结构框图；图3B为本发明另一实施例中偏振合束装置的第一半波片角度旋转示意图结构框图；图3C为本发明实施例中偏振合束装置的第二半波片角度旋转示意图结构框图；图3D为本发明另一实施例中偏振合束装置的第二半波片角度旋转示意图结构框图；
图4为本发明另一实施例中偏振合束装置的结构框图；
图5为本发明另一实施例中偏振合束装置的结构框图；
图6为本发明另一实施例中偏振合束装置的结构框图；
图7为本发明另一实施例中偏振合束装置的结构框图；
图8为本发明另一实施例中偏振合束装置的结构框图；
图9为本发明实施例中偏振合束方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
正如在背景技术中所述，现有激光器很难输出完全是垂直偏振态或者水平偏振态的激光，而现有的偏振合束装置通常只包含一个半波片，该半波片可以改变其中一束外部射入的激光的偏振态，将其旋转为和另外一束激光偏振态不同的光束，两束偏振态不同的激光通过偏振合束器件合束在一起，从而可以使输出光束的光束质量不发生变化的前提下，输出功率增加一倍。然而由于激光器输出光束很难保证是完全线偏振光，因此将未经半波片旋转的激光和另外一束激光进行合束时，合束效率偏低。
基于此，本发明实施例提供一种偏振合束装置，如图1所示，该偏振合束装置包括：第一半波片1，用于接收外部射入的第一束激光Laser1，将第一束激光Laser1转换为垂直线偏振光；第二半波片2，用于接收外部射入的第二束激光Laser2，将第二束激光Laser2转换为水平线偏振光；控制器3，连接第一半波片1和所述第二半波片2，用于根据第一束激光Laser1偏振方向与水平方向的第一夹角调节第一半波片1的光轴位置，和/或，根据第二束激光Laser2偏振方向与水平方向的第二夹角调节第二半波片2的光轴位置；偏振合束组件4，用于接收垂直线偏振光和水平线偏振光，将垂直线偏振光和水平线偏振光进行合束并输出。
本发明实施例提供的偏振合束装置，通过设置第一半波片和第二半波片分别对外部射入的第一束激光Laser1和第二束激光Laser2进行旋转，并且，在放置第一半波片1和第二半波片2之前，可以先获取第一束激光Laser1和第二束激光Laser2的偏振度α1和α2，根据获取的偏振度α1和α2通过公式θ＝arccosα计算得到第一束激光Laser1偏振方向和水平方向的第一夹角θ1及第二束激光Laser2偏振方向和水平方向的第二夹角θ2。然后可以根据第一夹角θ1和第二夹角θ2放置第一半波片1和第二半波片2，使得第一束激光Laser1通过第一半波片1旋转为垂直线偏振光，第二束激光Laser2通过第二半波片2旋转为水平线偏振光。
可选地，可以通过偏振测量仪直接对外部的第一激光器和第二激光器输出的第一束激光Laser1和第二束激光Laser2进行偏振度测量，得到偏振度α1和α2。或者，也可以采用测量光束功率的方法计算得到偏振度α1和α2。具体地，以第一激光器为例，在第一激光器后放置功率计，使第一束激光Laser1射入功率计，可以测得第一束激光Laser1的功率A，之后在第一激光器后依次放置偏振分束器和功率计，可以测得透过偏振分束器的水平偏振分量功率B，最后通过公式
Figure BDA0002216468020000071
计算得到第一束激光Laser1的偏振度。此外，可以采用相同的方法计算得到第二束激光Laser2的偏振度。本发明只是对偏振度的测量进行举例说明，也可以采用其他方法测量偏振度，本发明对此不做限定。
可选地，控制器3可以获取计算得到的偏振度α1和α2，根据α1和α2计算得到第一夹角θ1和第二夹角θ2。然后可以根据θ1和θ2调整第一半波片1和第二半波片2的位置。如图2A所示，在理想状态下，当输入第一半波片1的第一激光束Laser1为完全水平线偏振光时，为了使第一半波片1的输出光束为垂直线偏振光12，需要将第一半波片1主轴11与水平方向呈45°角放置，因此，如图3A和图3B所示，当第一激光束Laser1与水平方向的夹角为θ1时，为了使第一半波片1的输出光束为垂直线偏振光12，可以放置第一半波片1使得第一半波片1的光轴11与第一束激光Laser1偏振态的夹角为
Figure BDA0002216468020000072
或即将第一半波片1的光轴11相比理想状态顺时针旋转
Figure BDA0002216468020000074
或者逆时针旋转角度
Figure BDA0002216468020000075
如图2B所示，当输入第二半波片2的第二激光束Laser2为完全水平线偏振光时，为使第二半波片2的输出光束为水平线偏振光22，需要将第二半波片2主轴21平行水平方向放置，为了使第二半波片2的输出光束为水平线偏振光22，因此，如图3C和图3D所示，当第二激光束Laser2与水平方向的夹角为θ2时，可以放置第二半波片2使得第二半波片2的光轴21与第二束激光Laser2偏振态的夹角为或即将第二半波片2的光轴21相比理想状态顺时针旋转
Figure BDA0002216468020000083
或者顺时针旋转角度
可选地，在实际应用过程中，可以针对具有不同偏振度的激光器设计具有不同旋转角的半波片，例如，当激光器输出光束的偏振方向与水平方向的夹角为6°时，若使用现有的半波片，要将输出光束转变为垂直线偏振光，则需要将半波片的光轴设置为与该输出光束偏振态夹角为42°或48°。因此，针对该输出光束，可以设计旋转角为96°的半波片，将该半波片置于该偏振合束装置中时，可以直接按照理想状态放入，无需将半波片进行旋转，可以实现即插即用，提高了该偏振合束装置的合束效率。此外，上述旋转角度为96°的半波片只是对半波片进行举例说明，还可以根据具有不同偏振度的激光器设计具有不同旋转角的半波片，例如旋转角为94°、98°的半波片等等，本发明对此不做限定。
本发明实施例提供的偏振合束装置，通过设置第一半波片和第二半波片分别对外部射入的第一束激光和第二束激光进行旋转，可以使得输出第一半波片和第二半波片的光束为垂直线偏振光或水平线偏振光，采用偏振合束组件对该垂直线偏振光和水平线偏振光进行合束时，可以提高合束的效率，解决了现有技术中由于激光器输出的激光并不具有单一的偏振态，将激光进行合束时效率偏低的技术问题。同时由于较高的合束效率使得不能从输出面导出的光大大减小，保证了在偏振合束过程中的安全性与稳定性。此外，采用该偏振合束装置对半导体激光器输出的激光进行合束时，可以减少废热的产生，降低激光系统的热管理的压力，保证激光系统的稳定性和安全性。
作为本发明实施例的一种可选的实施方式，偏振合束组件4可以选择偏振合束镜组，也可以选择布儒斯特偏振片，还可以选择其他合束装置，本发明对此不做限定。当选择偏振合束镜组时，该偏振合束镜组可以包括：两个棱镜，两个棱镜的胶合面镀有偏振分束膜，该偏振分束膜可以选择具有高透射性和高反射性的薄膜。可选地，两个棱镜可以选择两个直角棱镜，也可以选择一个直角棱镜和一个平行四边形棱镜，本发明对此不做限定。
作为本发明实施例的一种可选的实施方式，该偏振合束装置还可以包括：反射镜，设置于第一半波片1与偏振合束组件4之间和/或第二半波片2与偏振合束组件4之间，用于偏转垂直线偏振光或水平线偏振光的传播方向，使垂直线偏振光或水平线偏振光射入偏振合束组件4。
可选地，第一半波片1、第二半波片2及偏振合束组件4构成的偏振合束装置如图4到图8所示。
如图4所示，该偏振合束组件4由两个直角棱镜41构成，两个直角棱镜41的胶合面镀偏振分束膜42，两束激光Laser1和Laser2通过第一半波片1和第二半波片2之后进入偏振合束组件4，由偏振合束组件4的输出面输出，实现Laser1和Laser2的合束。其中，第一半波片1和第二半波片2可以与偏振合束组件相互贴合，也可以相互分离。
如图5所示，该偏振合束装置还包括反射镜5。其中，偏振合束组件4由两个直角棱镜41构成，两个直角棱镜41的胶合面镀偏振分束膜42。反射镜5设置在第一半波片1和偏振合束组件4之间。第一束激光Laser1经过第一半波片1旋转后经过反射镜5反射进入偏振合束组件4，第二束激光Laser2经过第二半波片2旋转后进入偏振合束组件4，两束激光经过偏振合束组件4合束后由其输出面输出。
如图6所示，该偏振合束组件4由一个直角棱镜41和一个平行四边形棱镜43构成，两个棱镜的胶合面镀偏振分束膜42，第一束激光Laser1经过第一半波片1旋转后进入偏振合束组件4的平行四边形棱镜43中，经过平行四边形棱镜43反射至偏振分束膜42；第二束激光Laser2经过第二半波片2旋转后进入偏振合束组件4，两束激光经过偏振合束组件4合束后由其输出面输出。其中，第一半波片1和第二半波片2可以与偏振合束组件4相互贴合，也可以相互分离。
如图7所示，该偏振合束组件4为布儒斯特偏振片44。第一束激光Laser1经过第一半波片1旋转后转变为垂直线偏振光，该垂直线偏振光由布儒斯特角入射至布儒斯特偏振片44上，布儒斯特偏振片44将该垂直线偏振光反射；第二束激光Laser2经过第二半波片2旋转后转变为水平线偏振光，该水平线偏振光由布儒斯特角入射至布儒斯特偏振片44上，布儒斯特偏振片44可以将该水平线偏振光透射，因此，该布儒斯特偏振片44可以实现两束激光Laser1和Laser2的合束。如图8所示，当第一半波片1位置发生变化时，可以在第一半波片1和布儒斯特偏振片44之间放置反射镜5，使经过第一半波片1旋转的光束反射至布儒斯特偏振片44上。
此外，图4至图8所示的偏振合束装置中还可以设置控制器(图中未示出)，该控制器可以根据光束与水平方向的夹角调节第一半波片1和/或第二半波片2的光轴位置。
本发明实施例还提供一种偏振合束方法，如图9所示，该方法包括如下步骤：
步骤S101：获取第一束激光与水平方向的第一夹角及第二束激光与水平方向的第二夹角；具体地，可以通过偏振测量仪直接对外部的第一激光器和第二激光器输出的第一束激光和第二束激光进行偏振度测量，得到偏振度α1和α2。同时，也可以采用测量光束功率的方法计算得到偏振度α1和α2。本发明对偏振度的具体测量方法不做限定。在计算得到偏振度后，可以将偏振度输入控制器中，控制器可以根据偏振度计算得到第一束激光与水平方向的第一夹角及第二束激光与水平方向的第二夹角。
步骤S102：根据第一夹角调节第一半波片的光轴位置，通过第一半波片接收外部射入的第一束激光，将第一束激光转换为垂直线偏振光；和/或，根据第二夹角调节第二半波片的光轴位置，通过第二半波片接收外部射入的第二束激光，将第二束激光转换为水平线偏振光；具体地，控制器可以根据第一夹角和第二夹角调节第一半波片和第二半波片的光轴位置，使得第一半波片输出的光束为垂直线偏振光，第二半波片输出的光束为水平线偏振光。
步骤S103：通过偏振合束组件接收垂直线偏振光和水平线偏振光，将垂直线偏振光和水平线偏振光进行合束并输出。
本发明实施例提供的偏振合束方法，通过设置第一半波片和第二半波片分别对外部射入的第一束激光和第二束激光进行旋转，可以使得输出第一半波片和第二半波片的光束为垂直线偏振光或水平线偏振光，采用偏振合束组件对该垂直线偏振光和水平线偏振光进行合束时，可以提高合束的效率，解决了现有技术中由于激光器输出的激光并不具有单一的偏振态，将激光进行合束时效率偏低的技术问题。同时由于较高的合束效率使得不能从输出面导出的光大大减小，保证了在偏振合束过程中的安全性与稳定性。此外，采用该偏振合束装置对半导体激光器输出的激光进行合束时，可以减少废热的产生，降低激光系统的热管理的压力，保证激光系统的稳定性和安全性。
虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下对这些实施例进行各种变化、替换和修改，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。
此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (10)

1.一种偏振合束装置，其特征在于，包括：
第一半波片，用于接收外部射入的第一束激光，将所述第一束激光转换为垂直线偏振光；
第二半波片，用于接收外部射入的第二束激光，将所述第二束激光转换为水平线偏振光；
控制器，连接所述第一半波片和所述第二半波片，用于根据所述第一束激光与水平方向的第一夹角调节所述第一半波片的光轴位置，和/或，根据所述第二束激光与水平方向的第二夹角调节所述第二半波片的光轴位置；
偏振合束组件，用于接收所述垂直线偏振光和所述水平线偏振光，将所述垂直线偏振光和所述水平线偏振光进行合束并输出。
2.根据权利要求1所述的偏振合束装置，其特征在于，所述第一半波片的光轴与所述第一束激光偏振态的夹角为或
Figure FDA0002216468010000012
其中，θ1表示第一束激光的偏振方向与水平方向的第一夹角。
3.根据权利要求1所述的偏振合束装置，其特征在于，所述第二半波片的光轴与所述第二束激光偏振态的夹角为
Figure FDA0002216468010000013
或
Figure FDA0002216468010000014
其中，θ2表示第二束激光的偏振方向与水平方向的第二夹角。
4.根据权利要求1所述的偏振合束装置，其特征在于，所述偏振合束组件为偏振合束镜组。
5.根据权利要求4所述的偏振合束装置，其特征在于，所述偏振合束镜组包括：两个棱镜，所述两个棱镜的胶合面设置有偏振分束膜。
6.根据权利要求5所述的偏振合束装置，其特征在于，所述两个棱镜为两个直角棱镜。
7.根据权利要求5所述的偏振合束装置，其特征在于，所述两个棱镜包括：一个直角棱镜和一个平行四边形棱镜。
8.根据权利要求1所述的偏振合束装置，其特征在于，所述偏振合束组件为布儒斯特偏振片。
9.根据权利要求1所述的偏振合束装置，其特征在于，还包括：反射镜，设置于所述第一半波片与所述偏振合束组件之间和/或所述第二半波片与所述偏振合束组件之间，用于偏转所述垂直线偏振光或所述水平线偏振光的传播方向，使所述垂直线偏振光或所述水平线偏振光射入所述偏振合束组件。
10.一种偏振合束方法，其特征在于，该方法包括：
获取第一束激光的偏振方向与水平方向的第一夹角及第二束激光的偏振方向与水平方向的第二夹角；
根据所述第一夹角调节第一半波片的光轴位置，通过所述第一半波片接收外部射入的第一束激光，将所述第一束激光转换为垂直线偏振光；和/或，根据所述第二夹角调节第二半波片的光轴位置，通过所述第二半波片接收外部射入的第二束激光，将所述第二束激光转换为水平线偏振光；
通过偏振合束组件接收所述垂直线偏振光和所述水平线偏振光，将所述垂直线偏振光和所述水平线偏振光进行合束并输出。
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