CN110854656A - 一种内嵌保偏波片组的互注入固体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内嵌保偏波片组的互注入固体激光器，所述固体激光器包括折叠式角锥腔、选偏镜与调Q模块、保偏模块和泵浦模块，所述折叠式角锥腔由角锥棱镜、全反射凹面镜、输出镜组成，所述选偏镜与调Q模块包括布儒斯特窗口偏振片和KDP调Q晶体，所述保偏模块包括两片1/2波片和一片延迟片组成，所述泵浦模块包括两根端面微倾斜Nd:YAG激光媒质棒、泵浦氙灯。在角锥棱镜折叠腔中，因角锥棱镜的内全反射引起的失偏现象会影响激光器输出光的品质特性，本发明在角锥腔中内嵌保偏模块实现对经过角锥棱镜的任意线偏振光的纠偏，消除失偏影响，提高了输出光束的品质特性。
Description
技术领域
本发明涉及固体激光技术领域，尤其涉及一种内嵌保偏波片组的互注入固体激光器。
背景技术
角锥棱镜具有自准直的光学特性，用作谐振腔反射镜时，可以改善激光器的机械稳定性、热稳定性和光束质量。而且含有角锥的谐振腔，在同等腔长下可以使腔长缩短一半，让激光腔结构更加紧凑，实现小型化和轻量化。此外，角锥棱镜有六种不同的反射光路，互注入光束在角锥内全反射过程中产生合成，因此，角锥棱镜被认为是一种天然的光束合成元件，能够实现多有达六束的光合成。同时，光在角锥内部发生三次内全反射时，会带来相位差引起失偏，最终影响合成光束的质量和效率。因此，实现输入角锥棱镜前后光束的偏振态保持一致，称为“保偏”，是提高角锥腔固体激光器的合成效率和偏振性能的关键技术。
实现角锥腔的保偏方案包括：(1)利用角锥谐振腔的本征态，在文献《折叠式角锥棱镜谐振腔的偏振特性理论与实验研究》中给出了具体方案，但只能实现特殊方向偏振态的保偏。(2)利用偏振调制器保偏。即先测量输入光束的偏振态，再将输出偏振态调制为输入态。例如，使用两片1/4波片和一片1/2 波片或者两片1/2波片和一片1/4波片组成偏振调制器，通过夹角的组合来调制偏振态。这种方法可以对任意输入的态进行纠正，但是需要根据输入偏振态边测量边调节，配套额外的算法，不能实时保偏。(3)对角锥补偿来实现保偏，有：角锥棱镜自身镀膜补偿和角锥外加补偿晶片。其中，角锥棱镜自身镀膜补偿的方法，需要镀膜工艺从而使得成本较高，此外镀膜也容易被损伤，使得反射效率下降。在角锥入射面附加补偿晶片的方法，不仅成本较低而且有很高的损伤阈值，专利《一种抗失调型固体激光器》(专利号：201410374927.1)使用 1/4波片实现了一对正交线偏振光的保偏，其缺点是：除了该正交方向上线偏振光，若想实现其他方向线偏振光的保偏，需要动态旋转波片，此外也不能实现椭圆偏振光的保偏。
为了解决角锥的失偏，本发明通过波片补偿相移，使得经过补偿后，角锥棱镜能对任意方向的线偏振态和椭圆偏振态保偏。本方案通过计算获得角锥棱镜偏振变换矩阵M，然后，把M矩阵分解为两个1/2波片矩阵H和一个相位补偿波片矩阵PH之积，得到两个1/2波片之间的夹角θ和补偿波片的厚度h。当腔内光的波长和角锥棱镜的折射率已知时，1/2波片的夹角θ和补偿波片的厚度h 为固定值。根据计算参数设计保偏波片组模块，委托专业光学器件公司加工，然后把保偏波片组模块内嵌到角锥腔的光路中，便能使入射光的偏振态与出射的偏振态相同。在本保偏方案中，各个波片均为无源器件，以静态的方式实现偏振补偿和相位补偿，能够对任意偏振态实现保偏，而且具有较高的损失阈值。
上述文献以及专利中所给出的角锥激光器，在补偿光路的偏移时，均需使用双光楔元件，而本方案中的激光器，利用激光媒质棒端面的微倾来补偿布鲁斯特窗口偏振片自身的厚度产生的光路偏移，不仅减少了光路中所需的元件，而且提高了工作稳定性。此外，本激光器采用了双激光媒质棒互注入相干合成方式能提高输出激光束的能量密度，同时降低媒质棒的热效应、提高泵浦效率。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种内嵌保偏波片组的互注入固体激光器。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种内嵌保偏波片组的互注入固体激光器，所述固体激光器包括折叠式角锥腔、选偏与调Q模块、保偏模块和泵浦模块，所述谐振腔包括角锥棱镜、全反射凹面镜、输出镜，所述选偏镜与调Q模块包括布儒斯特窗口偏振片和KDP 调Q晶体，所述保偏模块包括两片1/2波片和一片延迟片，所述泵浦模块包括两根Nd:YAG激光媒质棒和泵浦氙灯。
激光器采用双激光媒质棒互注入结构，在加工调整光路阶段，为了减少光楔等补偿光路偏移的元件，把YAG2激光媒质棒端面加工成为微倾面，补偿布儒斯特窗口偏振片自身的厚度引起的光路偏移；另一方面，互注入常用被动锁相相干合成方案，利用双激光媒质棒结构可以提高输出激光束的能量密度，同时降低媒质棒的热效应、提高泵浦效率。
在激光器的谐振腔中，角锥棱镜起着折叠光路和互注入光束的天然合成作用，既可以在同等光程下缩短一半腔长，使得激光腔的结构更加紧凑；又可以提高激光束的相干合成效果。
波片组保偏模块，由两片1/2波片和一片延迟片组成，两片1/2波片的主轴保持一定的夹角θ，分别放置在如图4的固定支架上，内嵌在角锥棱镜的入射端和出射端附近，延迟片可以放置在任一1/2波片后方。在角锥的折射率确定后，1/2波片的夹角θ和延迟片厚度为固定值，通过三片波片组实现偏振补偿，可以使入射光的偏振态与出射的偏振态保持一致。
角锥棱镜有六种反射次序，每一对次序可看做互相逆向的光路，在用三片波片实现一种反射次序的保偏时，逆向传播的反射次序也同时实现了保偏。在对另外的四种反射次序进行保偏时，同样只需三波片组，但两片1/2波片的夹角θ需要作相应的改变，而延迟片的延迟量保持固定值。
泵浦模块中，泵浦光源可以采用氙灯或者是激光二极管。采用氙灯对双激光介质棒进行泵浦时，聚光腔为双椭圆结构，两个椭圆的有一个焦点位置重合用于放置泵浦氙灯，在另外两个焦点的位置上放置两根激光媒质棒。
选偏镜与调Q模块中，当KDP晶体未加电压时，不会改变偏振态，在施加电压时，允许通过的偏振态与布儒斯特窗口偏振片允许通过的偏振态互相为正交关系，通过施加电压来瞬间释放所所存储的光能产生巨脉冲光。
本发明的有益效果是：
本发明中的激光器使用折叠式的互注入角锥腔结构，有较好的机械稳定性，并能在同等光程下缩短一半腔长，使得结构紧凑。通过互注入相干合成方式增加输出光束的能量密度，将选偏镜与调Q模块中的布儒斯特窗口偏振片与一根激光介质棒微倾斜端面组成光路补偿节省了元件。针对角锥失偏现象，用三片波片实现了以静态的方式，对任意偏振态保偏的激光器。
附图说明
图1是本发明所述的激光器示意图；
图中：1-角锥棱镜；2-输出镜；3-全反射凹面镜；4-布儒斯特窗口偏振片； 5-KDP调Q晶体；6-1/2波片1；7-1/2波片2；8-延迟片；9-Nd:YAG激光媒质棒1；10-Nd:YAG激光媒质棒2；11-泵浦氙灯。波片上的黑色加粗线表示光轴方向；线偏振片允许通过的偏振方向表示为双指向箭头。
图2是本发明所述的角锥棱镜反射次序示意图；
图中：ABC和A'B'C'所重合的由交叉斜线填充的区域，表示正入射角锥时的有效入射区域；O'为入射面的中心；O'CA定义为反射面1，O'AB定义为反射面2，O'BC定义为反射面3；O'A、O'B和O'C为角锥的实棱；O'F、O'G和O'H 为角锥的虚棱；图中的D和E为123或321反射次序时，入射和出射的位置。
图3是本发明所述的在角锥棱镜的实棱O'A竖直时，保偏模块中1/2 波片1(6)和1/2波片2(7)的夹角示意图；
图中：光束以实棱O'A竖直时的132反射次序入射至角锥棱镜；k表示光束的传播方向，光的偏振态在P-S光线坐标系中表示；延迟片为水平朝向，夹角为0°，延迟量根据波长和此时角锥棱镜的折射率为固定值；波片上的黑色加粗线表示光轴方向。
图4是输出光束偏振态测量示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参照图1-4，一种内嵌保偏波片组的互注入固体激光器，所述固体激光器的谐振腔包括角锥棱镜(1)、输出镜(2)、全反射凹面镜(3)，所述选偏与调Q 模块包括布儒斯特窗口偏振片(4)和KDP调Q晶体(5)，所述保偏模块包括两片1/2波片(6和7)和一片延迟片(8)，所述泵浦模块包括两根Nd:YAG激光媒质棒(9和10)、泵浦氙灯(11)。
谐振腔使用角锥棱镜(1)作为折叠镜，而角锥具有自准直光学特性，因此能很方便的校准光路。输出镜(2)和全反射凹面镜(3)组成常用的平凹腔。
通过微倾的激光媒质棒(10)和具有一定厚度的布儒斯特窗口偏振片(4) 一起补偿光路的偏移。KDP调Q晶体(5)在加压时，将偏振态允许穿过的方向与布儒斯特窗口偏振片(4)允许透过的偏振态方向调节为正交关系，以此组成动态调Q装置。
对于每根激光媒质棒(9和10)各自构成独立的激光系统，在校准调试时，将原本独立的两条激光光路中心点对准重合，使得两个激光系统发生互注入，最终输出结果是两激光束的相干合成叠加。
下面介绍利用两片1/2波片和一片延迟片实现任意偏振态补偿的原理。
光在角锥棱镜内部可能的反射次序一共有六种，如图2所示，若光在角锥棱镜内部以123次序反射时，根据角锥棱镜的反射特性，则从D点位置入射从关于O'点对称的E点位置射出。
根据文献《Polarization properties of corner cube retroreflectorstheory and experiment》可知，以123次序反射时，角锥棱镜对光偏振态的作用可以表示为：
J123＝Jr(60°)JRJr(60°)JRJr(-60°)JRJr(120°)
有：
其中：
这里α取值54.74°，n2为空气折射率取1，n1为角锥材料此时的折射率，β为括号的取值。
在20℃对应1064nm波长下，BK7材料的角锥棱镜，其折射率为1.50655，带入公式中可以计算得琼斯矩阵为：
对于旋转角为θ的1/2波片的琼斯矩阵为：
当夹角取6.8541°时，结果为：
对于光轴方向水平的延迟片所对应的琼斯矩阵为：
当延迟量取1.3180rad时，结果为：
对于任意某偏振态的光束，其偏振态均可以表示为：
将该光束依次通过1/2波片1、以123反射次序入射角锥棱镜、1/2波片2 和延迟片时，输出光束的偏振态可以表示为：
如果偏振光先通过水平方向延迟片，接着依次通过1/2波片1、以123反射次序入射角锥棱镜和1/2波片2，也得到对任意偏振态保偏的效果。
根据光传播的可逆原理，在用两片1/2波片和一片延迟片对123反射次序的光路实现保偏的同时，321反射次序光路也实现了保偏。
在未保偏时，角锥棱镜会使得腔内的偏振态出现失偏现象，当失偏后的偏振态再次穿过布儒斯特窗口偏振片时，入射光的偏振方向与布儒斯特窗口偏振片的选偏方向存在一个偏转角，结果有一部分入射光无法通过，被反射到腔内，导致能量损失。当增加了保偏模块后，经过角锥后的偏振态被纠偏，偏振方向与布儒斯特窗口偏振片的起偏方向一致，光束全部穿过布儒斯特窗口偏振片，角锥失偏被补偿，能量损失几呼可以忽略。根据上面的分析，用本保偏模块能实现对任意偏振态的保偏，此外1/2波片的夹角和延迟片延迟量均是固定值，因此只需一次校准则能以静态的方式实现保偏。
在互注入激光腔中，激光媒质棒一般在水平面内平行摆放的，因此一般将角锥棱镜的实棱O'A摆放为竖直的方式，这样可以最大程度的解决因光路中通过了高损耗的实、虚棱导致输出能量下降的问题；另外，本方案只需要完成一组反射次序区域内的保偏。根据坐标系的旋转矩阵和上述保偏的原理，可以得到当实棱O'A为竖直时，实现保偏时的1/2波片夹角和相位延迟片的延迟量，如图3所示。图中，光在角锥内部以132次序反射，从右向左方向通过1/2波片1(6)的夹角θ1为128.1459°，从左向右方向通过1/2波片2(7)夹角θ 2为38.1459°，延迟片为水平朝向，夹角为0°，延迟量为固定值1.3180rad。同样，在实现132次序的保偏时，可以计算得，231次序也同时实现了保偏。
对于本保偏的折叠式固体激光器，在省略延迟片时也能实现保偏，但退化为只能实现水平和竖直方向线偏振态的保偏。
作为检验发明专利技术，搭建了如图4所示的输出光束偏振态测量装置，激光器的输出能量，用北京中计新科仪器有限公司的E1000的激光能量计测量。偏振态的分析采用THORLABS，检偏器选用WP25M-UB线栅偏振片，通过旋转改变夹角来测量不同偏振方向透过的光强值。测量结果是：保偏前，平均输出功率为16.8mJ,最大能量/最小能量为20～25，偏振光的椭圆率约13.5；保偏后，平均输出功率为20.6mJ,最大能量/最小能量大于120，偏振光的椭圆率约1.93，接近线偏振光，且偏振方向与布儒斯特窗口偏振片的选偏方向一致。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种内嵌保偏波片组的互注入固体激光器，其特征在于，所述固体激光器由折叠式角锥腔、选偏镜与调Q模块、保偏波片组模块和泵浦模块构成，所述折叠式角锥腔包括角锥棱镜(1)、输出镜(2)、全反射凹面镜(3)，所述选偏镜与调Q模块包括布儒斯特窗口偏振片(4)和KDP调Q晶体(5)，所述保偏波片组模块包括两片1/2波片(6和7)和一片延迟片(8)，所述泵浦模块包括两根Nd:YAG激光媒质棒(9和10)、泵浦氙灯(11)。
2.根据权利要求1所述的一种内嵌保偏波片组的互注入固体激光器，其特征在于，所述固体激光器中的保偏波片组模块由两片夹角预设定的1/2波(6和7)和一片相位延迟量设定的延迟波片(8)组成，且在只有两片夹角预设定的1/2波(6和7)的情况下能实现水平和竖直方向线偏振态的保偏。
3.根据权利要求1所述的一种内嵌保偏波片组的互注入固体激光器，其特征在于，所述布儒斯特窗口偏振片(4)通过微倾的激光媒质端面补偿偏振片厚度引起的光线折射位移。
4.根据权利要求1所述的一种内嵌保偏波片组的互注入固体激光器，其特征在于，所述布儒斯特窗口偏振片(4)和KDP调Q晶体(5)组成了动态调Q装置。
5.根据权利要求1所述的一种内嵌保偏波片组的互注入固体激光器，其特征在于，采用氙灯对双激光介质棒进行泵浦，采用双椭圆聚光腔结构，两个椭圆的焦点位置重合并放置所述泵浦氙灯(11)，另外两个焦点的位置上放置所述激光媒质棒(9和10)。
6.根据权利要求1所述的一种内嵌保偏波片组的互注入固体激光器，其特征在于，所述角锥棱镜(1)起着光路折叠作用，输出镜(2)和全反射凹面镜(3)反射组成常用的平凹腔结构，上述两部分构成折叠式角锥腔，折叠式角锥腔中安装两根激光媒质棒，产生受激辐射，构成互注入被动锁相相干合成固体激光器，动态调Q装置起着调节Q值作用。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN111525378A (zh) * | 2020-03-20 | 2020-08-11 | 北京国泰蓝盾科技有限公司 | 一种用于机载激光测照器的小型化被动调q激光器 |
| CN112736635A (zh) * | 2021-01-08 | 2021-04-30 | 南京信息工程大学 | 一种抗失谐的长脉宽角锥腔固体激光器 |
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- 2019-11-25 CN CN201911167519.8A patent/CN110854656A/zh active Pending
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