CN112636143A - 一种抗失调型多次折叠谐振腔激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗失调型多次折叠谐振腔激光器，包括全反镜、角锥折转棱镜三、角锥折转棱镜二、角锥折转棱镜一和输出镜，角锥折转棱镜一和角锥折转棱镜二的通光面相对设置且相互垂直，输出镜和全反镜平行，全反镜和角锥折转棱镜三前方的λ/4波片一之间设置有由λ/4波片二、Pockel盒和起偏器组成的升压调Q模块；本发明采用三个角锥折转棱镜反射结构的多次折叠谐振腔，可将谐振腔长度扩展4倍以上，大幅减小长腔长激光器的体积，并利用角锥折转棱镜原角度反射特性使激光器具备极佳的抗失调特性，同时通过角锥折转棱镜退偏补偿设计消除腔内损耗，提高输出效率。

Description

一种抗失调型多次折叠谐振腔激光器

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种抗失调型多次折叠谐振腔激光器。

背景技术

激光器谐振腔的腔长是影响固体激光器性能的重要因素，激光器的光束质量、发散角、调Q脉宽、可靠性、能量等参数都与谐振腔长度有着密切的关系。一般情况下，谐振腔的长度越长，激光器的光束质量越好，发散角越小，调Q脉宽越长；但激光器的体积会越大，其可靠性也会越低。

在一些军用激光器应用领域，如激光测距、激光目标指示等，需要激光器调Q脉宽较宽，同时对激光器的发散角、体积、可靠性均有较高的要求。

在一些应用领域，为了获得足够长的调Q脉宽和足够小的发散角，激光器往往需要设计较大的腔长，而更长的腔长设计会导致激光器体积增大且更易失调。

激光器谐振腔易失调一直是影响固体激光器稳定性的重要问题。谐振腔的易失调特性严重降低了激光器的稳定性，增加了激光器的调试和维护难度，限制了激光器在恶劣环境中的应用。

发明内容

针对现有技术的以上不足，本发明的目的是提供一种采用多角锥反射结构的抗失调型多次折叠谐振腔激光器，无全反射退偏损耗，可大幅提高长谐振腔激光器的抗失调能力，同时大幅减小激光器体积，可广泛应用于对调Q脉宽、激光发散角、可靠性、体积均有较高要求的远程激光测距、激光目标指示、激光引偏等领域。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种抗失调型多次折叠谐振腔激光器，包括沿光轴依次设置的全反镜、角锥折转棱镜三、角锥折转棱镜二、角锥折转棱镜一和输出镜，输出激光从输出镜出射，所述角锥折转棱镜一和角锥折转棱镜二的通光面相对设置且相互垂直，其具有退偏互补偿特性，角锥折转棱镜一和角锥折转棱镜三实现对谐振光线在垂直面(yz平面)内的180°折转，角锥折转棱镜二实现对谐振光线在水平面(zx平面)内的180°折转，谐振光经过角锥折转棱镜一和角锥折转棱镜二后偏振态不变，所述的输出镜和全反镜安装于同一结构平面上且相对平行，角锥折转棱镜三前方设置有λ/4波片一，用于对角锥折转棱镜三的退偏进行补偿，全反镜和λ/4波片一之间的谐振光路上设置有由λ/4波片二、Pockel盒和起偏器组成激光器的升压调Q模块，实现激光器的调Q输出。

所述的一种抗失调型多次折叠谐振腔激光器，其角锥折转棱镜一和输出镜之间的谐振光路上设置有由增益介质和泵浦模块组成的侧面泵浦结构，角锥折转棱镜一和增益介质之间的谐振光路上依次设置有光楔二和光楔一，用于调整输出镜和全反镜的相对平行差，使激光器保持最佳输出。

所述的一种抗失调型多次折叠谐振腔激光器，其角锥折转棱镜二和角锥折转棱镜一之间的谐振光路上设置有由增益介质和泵浦模块组成的侧面泵浦结构，角锥折转棱镜二和增益介质之间的谐振光路上依次设置有光楔一和光楔二，用于调整输出镜和全反镜的相对平行差，使激光器保持最佳输出。

本发明的有益效果在于：本发明使用三个角锥棱镜作为折转器件，与输出镜和全反镜组成折叠谐振腔，可将谐振腔长度扩展至激光器长度的4倍以上，大幅减小激光的尺寸并增大谐振腔的长度；由于角锥棱镜具有使入射光沿原路返回的特性，输出镜和全反镜所在结构平面的角度变化或角锥棱镜本身的角度变化不会影响输出镜和全反镜的光学平行性，从而保证了谐振腔的稳定性；本发明利用角锥棱镜和角锥棱镜的相位互补及角锥棱镜和λ/4波片一的相位补偿，可有效消除角锥棱镜全反射退偏引起的能量损耗。

附图说明

图1是本发明谐振腔第一实施例的结构示意图；

图2是本发明谐振腔第二实施例的结构示意图；

图3是本发明角锥折转棱镜的退偏互补偿原理图；

图4是本发明λ/4波片一补偿角锥折转棱镜的退偏原理图。

各附图标记为：1—角锥折转棱镜一，2—角锥折转棱镜二，3—角锥折转棱镜三，4—λ/4波片一，5—输出镜，6—全反镜，7—增益介质，8—泵浦模块，9—光楔一，10—光楔二，11—起偏器，12—Pockel盒，13—λ/4波片二。

具体实施方式

下面结合附图以及实施例对本发明技术方案作进一步说明。

本发明公开的一种抗失调型多次折叠谐振腔激光器，包括角锥折转棱镜一1、角锥折转棱镜二2和角锥折转棱镜二3，λ/4波片一4和λ/4波片二13，输出镜5，全反镜6，增益介质7，泵浦模块8，光楔一9和光楔二10，起偏器11和Pockel盒12。所述的三个角锥折转棱镜、输出镜5、全反镜6组成具有抗失调特性的折叠谐振腔，输出激光15从输出镜5出射。

角锥折转棱镜一1和角锥折转棱镜二2的通光面相对设置且相互垂直，其具有退偏互补偿特性，角锥折转棱镜一1和角锥折转棱镜三3实现对谐振光线14在垂直面(yz平面)内的180°折转，角锥折转棱镜二2实现对谐振光线14在水平面(zx平面)内的180°折转，谐振光14经过角锥折转棱镜一1和角锥折转棱镜二2后偏振态不变。

所述的输出镜5和全反镜6安装于同一结构平面上且相对平行，角锥折转棱镜三3前方设置有λ/4波片一4，用于对角锥折转棱镜三3的退偏进行补偿，全反镜6和λ/4波片一4之间的谐振光路上设置有由λ/4波片二13、Pockel盒12和起偏器11组成激光器的升压调Q模块，实现激光器的调Q输出。为实现最高的输出效率，需消除退偏损耗，谐振光14在进入起偏器11之前，其偏振方向需要与起偏器11偏振方向一致。

λ/4波片一4置于角锥折转棱镜三3和起偏器11之间的谐振光路上，可补偿谐振光14经过角锥折转棱镜三3产生的退偏效应，使谐振光14的偏振方向与起偏器11偏振方向一致，谐振光14经过角锥折转棱镜一1和角锥折转棱镜二2后偏振态不变。

泵浦模块8和增益介质7组成激光器的侧面泵浦结构。

本发明使用三个角锥棱镜作为折转器件，与输出镜5和全反镜6组成折叠谐振腔，可将谐振腔长度扩展至激光器长度的4倍以上，大幅减小激光的尺寸并增大谐振腔的长度。由于角锥棱镜具有使入射光沿原路返回的特性，输出镜5和全反镜6所在结构平面的角度变化或角锥棱镜本身的角度变化不会影响输出镜5和全反镜6的光学平行性，从而保证了谐振腔的稳定性。

但是通常情况下采用角锥折转棱镜会带来严重的退偏问题，引起激光的退偏损耗。本发明利用角锥棱镜1和角锥棱镜2的相位互补及角锥棱镜3和λ/4波片一4的相位补偿，可有效消除角锥棱镜全反射退偏引起的能量损耗。

本发明采用多角锥反射结构的抗失调型多次折叠谐振腔设计，通过多次折转大幅提高激光器腔长，增加激光器调Q脉宽，在大幅提高激光器抗失调能力的同时消除激光器的退偏损耗，使激光器实现稳定高效的输出。本发明的激光器可广泛应用于对调Q脉宽、激光发散角、可靠性、体积均有较高要求的远程激光测距、激光目标指示、激光引偏等领域。

实施例1

图1示出了本发明抗失调型多次折叠谐振腔的一个实施例。

如图1所示，本发明公开的一种抗失调型多次折叠谐振腔，包括沿光轴依次设置的全反镜6、λ/4波片二13、Pockel盒12、起偏器11、λ/4波片一4、角锥折转棱镜二3、角锥折转棱镜二2、角锥折转棱镜一1、光楔二10、光楔一9、增益介质7和泵浦模块8，输出激光15从输出镜5出射。全反镜6、角锥折转棱镜一1、角锥折转棱镜二2、角锥折转棱镜二3和输出镜5组成具有抗失调特性的折叠谐振腔。光楔一9和光楔二10置于增益介质7和角锥折转棱镜一1之间的谐振光路上，用于调整输出镜5和全反镜6的相对平行差，使激光器保持最佳输出。泵浦模块8和增益介质7组成激光器的侧面泵浦结构，增益介质7置于角锥折转棱镜一1和输出镜5之间的谐振光路上。起偏器11、Pockel盒12、λ/4波片13组成激光器的升压调Q模块实现激光器的调Q输出。

为实现最高的输出效率，需消除退偏损耗，谐振光14在进入起偏器11之前，其偏振方向需要与起偏器11偏振方向一致。角锥折转棱镜一1和角锥折转棱镜二2通光面对置且相互垂直，其具有退偏互补偿特性，谐振光14经过角锥折转棱镜一1和角锥折转棱镜二2后偏振态不变。λ/4波片4快轴旋转至与x方向形成约12°夹角，置于角锥折转棱镜三3和起偏器11之间的谐振光路上，可补偿谐振光14经过角锥折转棱镜三3产生的退偏效应，使谐振光14的偏振方向与起偏器11偏振方向一致。

实施例2

图2示出了本发明抗失调型多次折叠谐振腔的另一个实施例。

如图2所示，本发明公开的一种抗失调型多次折叠谐振腔，包括沿光轴依次设置的全反镜6、λ/4波片二13、Pockel盒12、起偏器11、λ/4波片一4、角锥折转棱镜二3、角锥折转棱镜二2、光楔一9、光楔二10、增益介质7、泵浦模块8和角锥折转棱镜一1，输出激光15从输出镜5出射。全反镜6、角锥折转棱镜一1、角锥折转棱镜二2、角锥折转棱镜二3和输出镜5组成具有抗失调特性的折叠谐振腔。角锥折转棱镜一1和角锥折转棱镜三3实现对谐振光线14在y方向的180度折转，角锥折转棱镜二2实现对谐振光线14在x方向的180度折转，输出镜5和全反镜6安装于同一结构平面上且相对平行，输出激光15从输出镜5出射。光楔一9和光楔二10置于增益介质7和角锥折转棱镜二2之间的谐振光路上，用于调整输出镜5和全反镜6的相对平行差，使激光器保持最佳输出。起偏器11、Pockel盒12、λ/4波片二13组成激光器的升压调Q模块实现激光器的调Q输出。

为实现最高的输出效率，需消除退偏损耗，谐振光14在进入起偏器11之前，其偏振方向需要与起偏器11偏振方向一致。角锥折转棱镜一1和角锥折转棱镜二2通光面对置且相互垂直，其具有退偏互补偿特性，谐振光14经过角锥折转棱镜一1和角锥折转棱镜二2后偏振态不变。λ/4波片一4快轴旋转至与x方向形成约12°夹角，置于角锥折转棱镜三3和起偏器11之间的谐振光路上，可补偿谐振光14经过角锥折转棱镜三3产生的退偏效应，使谐振光14的偏振方向与起偏器11偏振方向一致。

图3示出了角锥折转棱镜一1与角锥折转棱镜二2的相对位置关系。角锥折转棱镜一1和角锥折转棱镜二2通光面(面ABCD)对置且相互垂直。角锥折转棱镜一1和角锥折转棱镜二2的三全反射面分别为：面AEHG、面EFIH、面DFIJ。角锥折转棱镜一1实现对谐振光线14在yz平面(垂直面)内的180°折转，角锥折转棱镜二2实现对谐振光线14在zx平面(水平面)内的180°折转。

由文献“Polarization properties of corner-cube retroreflectors:theoryand experiment”(APPLIED OPTICS,Vol.36,No.7,March 1997)给出的计算方法可知，如果谐振光线14为y方向的线偏振光经过角锥折转棱镜一1和角锥折转棱镜二2后的偏振态。y方向的线偏振光偏振态由向量可表示为：

角锥折转棱镜一1的琼斯矩阵为：

线偏振光经过角锥折转棱镜一1折转后的出射光为椭圆偏振光，其偏振态向量为：

由于角锥折转棱镜二2相对于角锥折转棱镜一1垂直放置，角锥折转棱镜二2的琼斯矩阵为：

其中T(90°)和T(-90°)是坐标旋转矩阵，可描述角锥折转棱镜二2相对于y的旋转角度为90°。

谐振光线14经过角锥折转棱镜二2之后的偏振态向量为：

由此可得谐振光线14经过角锥折转棱镜二2之后仍为y方向上的线偏振光，其y偏振方向上产生的相移为

角锥折转棱镜一1和角锥折转棱镜二2对谐振光线14退偏具有互补效应，谐振光线14经过角锥折转棱镜一1和角锥折转棱镜二2后偏振态不变。

图4示出了角锥折转棱镜三3与λ/4波片一4的相对位置关系。角锥折转棱镜三3实现对谐振光线14在yz平面(垂直面)内的180°折转，λ/4波片一4可对角锥折转棱镜三3的退偏进行补偿。专利“一种抗失调型固体激光器”(授权号：CN104104002B)详细描述了激光器中λ/4波片对角锥折转棱镜的退偏补偿作用。当λ/4波片一4快轴旋转至与x方向形成约12°夹角时可使谐振光线14经过角锥折转棱镜三3和λ/4波片一4后仍为线偏光。

本实施例所述激光器具有谐振腔长度长、抗失调能力强，无腔内退偏损耗、结构紧凑等特点。

需要说明的是，本发明的附图中的各个部件的形状均是示意性的，不排除其与其真实形状存在一定差异，附图仅用于对本发明的原理进行说明，图中所示部件的具体细节并非对发明保护范围的限定。本领域技术人员也应该理解，上述实施例也仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。

Claims (3)

1.一种抗失调型多次折叠谐振腔激光器，其特征在于：包括沿光轴依次设置的全反镜（6）、角锥折转棱镜三（3）、角锥折转棱镜二（2）、角锥折转棱镜一（1）和输出镜（5），所述角锥折转棱镜一（1）和角锥折转棱镜二（2）的通光面相对设置且相互垂直，角锥折转棱镜一（1）和角锥折转棱镜三（3）实现对谐振光线14在垂直面内的180°折转，角锥折转棱镜二（2）实现对谐振光线14在水平面内的180°折转，所述的输出镜（5）和全反镜（6）平行，角锥折转棱镜三（3）前方设置有λ/4波片一（4），全反镜（6）和λ/4波片一（4）之间的谐振光路上设置有由λ/4波片二（13）、Pockel盒（12）和起偏器（11）组成的升压调Q模块。

2.根据权利要求1所述的一种抗失调型多次折叠谐振腔激光器，其特征在于，所述的角锥折转棱镜一（1）和输出镜（5）之间的谐振光路上设置有由增益介质（7）和泵浦模块（8）组成的侧面泵浦结构，角锥折转棱镜一（1）和增益介质（7）之间的谐振光路上依次设置有光楔二（10）和光楔一（9）。

3.根据权利要求1所述的一种抗失调型多次折叠谐振腔激光器，其特征在于，所述的角锥折转棱镜二（2）和角锥折转棱镜一（1）之间的谐振光路上设置有由增益介质（7）和泵浦模块（8）组成的侧面泵浦结构，角锥折转棱镜二（2）和增益介质（7）之间的谐振光路上依次设置有光楔一（9）和光楔二（10）。

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