CN114280805B

CN114280805B - 一种光束偏振调整装置及其使用方法

Info

Publication number: CN114280805B
Application number: CN202210205756.4A
Authority: CN
Inventors: 陈少祥; 王嵩; 刘振林
Original assignee: Wuhan Huarui Ultra Fast Fiber Laser Technology Co ltd
Current assignee: Wuhan Huarui Ultra Fast Fiber Laser Technology Co ltd
Priority date: 2022-03-04
Filing date: 2022-03-04
Publication date: 2022-07-12
Anticipated expiration: 2042-03-04
Also published as: CN114280805A

Abstract

本发明属于激光应用技术领域，具体提供了一种光束偏振调整装置及其使用方法，本发明提供的这种光束偏振调整装置利用入光口波片、偏振分束器、出光口波片、反射镜模块和偏振片的协同作用，通过反射镜模块和偏振片后的测量确认，使得入射光束依次经过入光口波片、偏振分束器、出光口波片、反射镜模块和偏振片后，偏振方向由线偏振调整为圆偏振。将无法达到激光加工应用效果的线偏振光束转变为圆偏振光束，实现了光的偏振特性在激光器设计中的应用，满足了工业激光器在高功率激光设计及激光应用技术领域对圆偏振光束的要求，克服了高脉冲能量的超快光纤激光设计制造领域缺乏可靠的获得圆偏振光束的装置的问题。

Description

一种光束偏振调整装置及其使用方法

技术领域

本发明属于激光应用技术领域，具体涉及一种光束偏振调整装置及其使用方法。

背景技术

偏振作为光的一个基本而重要的特性在超快激光设计、超快激光应用领域有很重要的作用。对于逐渐成熟的超快光纤激光器市场，当前微纳冷加工市场对高能量高功率的超快激光器的需求越来越高，特别是皮秒、飞秒光纤激光器。尽管光纤作为激光的波导及增益介质有很多优势，当前光纤激光器的脉冲能量受限于模场面积而遇到瓶颈。但是偏振作为光的一个重要特性在激光器设计里还未得到充分利用。在超快激光领域，圆偏振光束相比于线偏振光束在光纤放大时的非线性阈值，理论上能够提高1.5倍，相应地脉冲能量提高1.5倍。然而如今在高脉冲能量的超快光纤激光设计制造领域，即典型的啁啾脉冲放大系统的功放阶段的输入端，缺乏一个可靠的获得圆偏振光束的装置。另一方面，在很多激光加工的应用中，线偏振光束无法达到圆偏振光束加工的效果。为此，本发明提供了一种光束偏振调整装置，可将线偏振光束转变成圆偏振光束。

发明内容

本发明的目的是克服现有应用中，线偏振光束无法达到圆偏振光束加工的效果，高脉冲能量的超快光纤激光设计制造领域缺乏可靠的获得圆偏振光束的装置的问题。

为此，本发明提供了一种光束偏振调整装置，包括：第一固定座和第二固定座；其中，

所述第一固定座内部贯通，形成可供入射光穿行的第一光通道；所述第一光通道内部固定设置有偏振分束器，所述偏振分束器一侧设有用于检测经所述偏振分束器反射后的光束功率的第一检测模块；所述第一光通道的入口处设有第一旋转套筒，所述第一旋转套筒内套接有入光口波片，所述入光口波片与入射光的光轴垂直，所述第一旋转套筒带动所述入光口波片沿所述第一光通道的周向旋转；所述第一光通道的出口处设有第二旋转套筒，所述第二旋转套筒内套接有出光口波片，所述出光口波片与入射光的光轴垂直，所述第二旋转套筒带动所述出光口波片沿所述第一光通道的周向旋转；

所述第二固定座连接在所述第一光通道的出口端，所述第二固定座内设有与所述第一光通道相贯通的第二光通道；所述第二光通道内设有可移动的反射镜模块；所述第二固定座一侧连接有第二检测模块；所述第二检测模块的检测端设置有可旋转的偏振片，所述第二检测模块用于检测经所述反射镜模块反射后穿过所述偏振片的光束的功率。

具体的，上述偏振分束器为PBS晶体；入光口波片为二分之一波片；出光口波片为四分之一波片。

具体的，上述第一旋转套筒与第一固定座的连接处以及第二旋转套筒与第一固定座的连接处均设有用于密封和旋转阻尼的橡胶圈。

具体的，上述第一检测模块包括第一功率探头、窗口片以及窗口片固定座；所述窗口片通过所述窗口片固定座安装在所述第一功率探头的检测端；所述第一功率探头的检测端接收经所述偏振分束器反射后穿过所述窗口片的光束并检测其功率。

具体的，上述第一检测模块还包括窗口片压块；所述窗口片压块通过螺纹与所述窗口片固定座连接，将所述窗口片压紧固定在所述第一功率探头的检测端。

具体的，上述第二检测模块还包括第二功率探头、偏振片旋转套筒和偏振片压块；所述偏振片压块通过螺纹与所述偏振片旋转套筒连接，将所述偏振片固定在所述偏振片旋转套筒内，所述偏振片旋转套筒带动所述偏振片旋转；所述偏振片旋转套筒设置在所述第二功率探头的检测端；所述第二功率探头接收并检测经所述反射镜模块反射后穿过所述偏振片的光束的功率。

具体的，上述偏振片旋转套筒外部设有用于记录旋转角度的刻度盘。

具体的，上述反射镜模块包括反射镜和镜座；所述镜座可移动地安装在所述第二光通道内；所述反射镜安装在所述镜座内。

具体的，上述镜座为矩形框架结构，所述反射镜安装在矩形框架内，矩形框架侧边设置限位卡槽以限制定位反射镜在调试检测及使用时的位置。

本发明还提供了上述任意一项所述的光束偏振调整装置的使用方法，包括以下步骤：

S1、转动第一旋转套筒，调整入射的线偏振光与入光口波片的夹角，使得第一检测模块处测得的功率值最小后，固定第一旋转套筒；

S2、调整反射镜模块在第二固定座内位置，使透过偏振分束器的线偏振光以90°反射到第二检测模块；

S3、固定第二旋转套筒，沿同一方向转动偏振片旋转套筒，通过第二检测模块检测并记录不同旋转角度所对应的光束功率，标记所测功率的最大值P_max和最小值P_min；

S4、根据公式∆=（P_max- P_min）/（P_max+P_min）计算∆；

S5、转动第二旋转套筒；

S6、重复步骤S3、S4、S5，直至∆<5%，此时入射的线偏振光束可视为转变为圆偏振光束。当∆<5%时, ∆值越小，调整后的光束越接近理论上的圆偏振光束。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

本发明提供的这种光束偏振调整装置利用入光口波片、偏振分束器、出光口波片、反射镜及偏振片的协同作用，将无法达到激光加工应用效果的线偏振光束转变为圆偏振光束，实现了光的偏振特性在激光器设计中的应用，满足了工业激光器在高功率激光设计及激光应用技术领域对圆偏振光束的要求；提供了一种通过获得圆偏振光束来提高脉冲能量和光束质量的模块。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明提供的光束偏振调整装置的立体图。

图2是本发明提供的光束偏振调整装置的剖面图。

图3是本发明提供的光束偏振调整装置的第一检测模块的结构示意图。

图4是本发明提供的光束偏振调整装置的第二检测模块的结构示意图。

图5是本发明提供的光束偏振调整装置的光学结构示意图。

图6是本发明实施例1中光束偏振调整装置的检测结果图。

附图标记：1、第一固定座；2、端盖；3、入光口波片；4、第一旋转套筒；5、橡胶圈；6、偏振分束器；7、第一检测模块；8、第一功率探头；9、窗口片固定座；10、窗口片；11、窗口片压块；12、出光口波片；13、第二旋转套筒；14、第二固定座；15、反射镜模块；16、反射镜；17、镜座；18、第二检测模块；19、第二功率探头；20、偏振片旋转套筒；21、偏振片；22、偏振片压块；23、刻度盘；24、出光口。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明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。尽管已经详细描述了本发明的代表性实施例，但是本发明所属技术领域的普通技术人员将理解，在不脱离本发明范围的情况下可以对本发明进行各种修改和改变。因此，本发明的范围不应局限于实施方案，而应由所附权利要求及其等同物来限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。术语 “上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“水平”、“顶”、“底”、“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。

本发明提供了一种光束偏振调整装置，包括：第一固定座1和第二固定座14；其中，

所述第一固定座1内部贯通，形成可供入射光穿行的第一光通道；所述第一光通道内部固定设置有偏振分束器6，所述偏振分束器6一侧设有用于检测经所述偏振分束器6反射后的光束功率的第一检测模块7；所述第一光通道的入口处设有第一旋转套筒4，所述第一旋转套筒4内套接有入光口波片3，所述入光口波片3与入射光的光轴垂直，所述第一旋转套筒4带动所述入光口波片3沿所述第一光通道的周向旋转；所述第一光通道的出口处设有第二旋转套筒13，所述第二旋转套筒13内套接有出光口波片12，所述出光口波片12与入射光的光轴垂直，所述第二旋转套筒13带动所述出光口波片12沿所述第一光通道的周向旋转；

所述第二固定座14连接在所述第一光通道的出口端，所述第二固定座内14设有与所述第一光通道相贯通的第二光通道；所述第二光通道内设有可移动的反射镜模块15；所述第二固定座14一侧连接有第二检测模块18；所述第二检测模块18的检测端设置有可旋转的偏振片21，所述第二检测模块18用于检测经所述反射镜模块15反射后穿过所述偏振片21的光束的功率。

实际使用时，通过转动第一旋转套筒4、第二旋转套筒13、反射镜模块15和偏振片旋转套筒20，调整入射的线偏振光束与入光口波片3、出光口波片12、反射镜模块15和偏振片21之间的位置，使得入射光束依次经过入光口波片3、偏振分束器6、出光口波片12，以及反射镜模块15和偏振片21后的测量确认，光束的偏振由线偏振调整为圆偏振，沿出光口波片12的光轴方向从第二固定座14的出光口24导出圆偏振光束。

优选的，上述偏振分束器6为PBS晶体；入光口波片3为二分之一波片；出光口波片12为四分之一波片。

第一旋转套筒4与第一固定座1的连接处以及第二旋转套筒13与第一固定座1的连接处均设有用于密封和旋转阻尼的橡胶圈5，橡胶圈5还可保证旋转或固定时入光口波片3和出光口波片12与光轴保持垂直。在细化的实施方式中，第一旋转套筒4和第二旋转套筒13的外径均小于第一固定座1内第一光通道的直径，安装时旋转套筒与固定座之间有微小间隙，有利于波片自由转动和橡胶圈5的安装，并且第一旋转套筒4和第二旋转套筒13在第一固定座1内可以顺时针或逆时针转动。此外，第一旋转套筒4和第二旋转套筒13外端面可以设置滚花法兰，便于手动拨动旋转和控制旋转速度。

进一步地，第一检测模块7包括第一功率探头8、窗口片10以及窗口片固定座9；窗口片10通过窗口片固定座9安装在第一功率探头8的检测端；第一功率探头8的检测端接收经偏振分束器6反射后穿过窗口片10的光束并检测其功率。为了防止因窗口片10错位而影响检测结果，第一检测模块7还包括窗口片压块11；窗口片压块11通过螺纹与窗口片固定座9连接，将窗口片10压紧固定在第一功率探头8的检测端。

第二检测模块18还包括第二功率探头19、偏振片旋转套筒20和偏振片压块22；偏振片压块22通过螺纹与所述偏振片旋转套筒20连接，将偏振片21固定在偏振片旋转套筒20内，偏振片旋转套筒20带动偏振片21旋转；偏振片旋转套筒20设置在第二功率探头19的检测端；第二功率探头19接收并检测经反射镜模块15反射后穿过偏振片21的光束的功率。

转动偏振片旋转套筒20可带动偏振片21光轴的旋转，进而改变透射光偏振方向，为了便于记录偏振片21的旋转角度，在偏振片旋转套筒20外部设置刻度盘23。

进一步地，反射镜模块15包括反射镜16和镜座17；镜座17可移动地安装在第二光通道内；反射镜16安装在镜座17内。

在一种优化的实施方式中，镜座17为矩形框架结构，反射镜16安装在矩形框架内，优选设置两面反射镜16，并沿矩形框架的中心线对称布置。矩形框架侧边设置限位卡槽以限制、定位反射镜16在调试检测及使用时的位置。

本发明还提供了利用上述光束偏振调整装置将线偏振光束调整为圆偏振光束的方法，包括以下步骤：

S1、转动第一旋转套筒4，调整入射的线偏振光与入光口波片3的夹角，使得第一检测模块7处测得的功率值最小后，固定第一旋转套筒4；

S2、调整反射镜模块15在第二固定座14内位置，使透过偏振分束器6的线偏振光以90°反射到第二检测模块18；

S3、固定第二旋转套筒13，沿同一方向转动偏振片旋转套筒20，通过第二检测模块18检测并记录不同旋转角度所对应的光束功率，标记所测功率的最大值P_max和最小值P_min；

S4、根据公式∆=（P_max- P_min）/（P_max+P_min）计算∆；

S5、顺时针或逆时针转动第二旋转套筒13；

S6、重复步骤S3、S4、S5，直至∆<5%，此时入射的线偏振光束可视为转变为圆偏振光束。为获得更接近理论值的圆偏振光束（∆=0），继续重复S3、S4、S5，直至获得第二旋转套筒13所能达到的∆最小值。

下面通过具体实施例对本发明的光束偏振调整装置的效果进行研究。

实施例1：

参照图1-2，本实施例提供了一种细化的光束偏振调整装置，包括：第一固定座1和第二固定座14。

其中，第一固定座1为长方体柱状结构，内部呈空心柱状，形成可供入射光穿行的第一光通道。

在第一光通道中部有一矩形槽，矩形槽内安装固定PBS晶体，整体成前后对称结构。

PBS晶体一侧设有用于检测经PBS晶体反射后的光束功率的第一检测模块7，如图3所示，第一检测模块7包括第一功率探头8、窗口片10、窗口片固定座9和窗口片压块11。窗口片10通过窗口片固定座9安装在第一功率探头8的检测端，窗口片压块11通过螺纹与窗口片固定座9连接，将窗口片10压紧固定在第一功率探头8的检测端，第一功率探头8的检测端接收经PBS晶体反射后穿过窗口片10的光束并检测其功率。

第一光通道的入口处设有第一旋转套筒4，第一旋转套筒4与第一固定座1的连接面上设有两处凹槽，凹槽内均放置有橡胶圈5，第一旋转套筒4外径小于第一光通道的直径，安装时旋转套筒与固定座之间有微小间隙，有利于第一旋转套筒4转动和橡胶圈5的安装。第一旋转套筒4内套接有二分之一波片，二分之一波片与入射光的光轴垂直，第一旋转套筒4可以带动二分之一波片在第一固定座1内沿第一光通道的周向顺时针或逆时针旋转。第一旋转套筒4外端面设有滚花法兰，便于手动拨动旋转和控制旋转速度。在第一固定座1的光入口端设置端盖2，将第一旋转套筒4封装在第一固定座1内，以保护第一旋转套筒4和二分之一波片。

第一光通道的出口处设有第二旋转套筒13，第二旋转套筒13与第一固定座1的连接面上设有两处凹槽，凹槽内均放置有橡胶圈5，第二旋转套筒13外径小于第一光通道的直径，安装时旋转套筒与固定座之间有微小间隙，有利于第二旋转套筒13转动和橡胶圈5的安装。第二旋转套筒13内套接有四分之一波片，四分之一波片与入射光的光轴垂直，第二旋转套筒13可以带动四分之一波片在第一固定座1内沿第一光通道的周向顺时针或逆时针旋转。第二旋转套筒13外端面设有滚花法兰，便于手动拨动旋转和控制旋转速度。

第二固定座14连接在第一光通道的出口端，第二固定座14内设有与第一光通道相贯通的第二光通道。

第二光通道内设有可移动的镜座17，镜座17为矩形框架结构，两面反射镜16沿矩形框架的中心线对称布置在镜座17内，矩形框架侧边设置限位卡槽以限制定位反射镜16在调试检测及使用时的位置。

第二固定座14的一侧连接有第二检测模块18，如图4所示，第二检测模块18包括第二功率探头19、偏振片21、偏振片旋转套筒20和偏振片压块22。偏振片压块22通过螺纹与偏振片旋转套筒20连接，将偏振片21固定在偏振片旋转套筒20内，偏振片旋转套筒20可带动偏振片21旋转。偏振片旋转套筒20设置在第二功率探头19的检测端，第二功率探头19接收并检测经反射镜模块15反射后穿过偏振片21的光束的功率。

利用上述光束偏振调整装置将线偏振光束调整为圆偏振光束，具体方法如下：

S1、如图5所示，相对于PBS晶体，线性偏振入射光可视为水平偏振光（P）和垂直偏振光（S），通过滚花法兰手动转动第一旋转套筒4，调整入射的线偏振光与二分之一波片之间的夹角，使得第一功率探头8处测得的功率值最小，此时透过PBS晶体的水平偏振方向的线偏振光功率最大，在第一旋转套筒4外部的两个橡胶圈5之间安装紧定螺钉固定第一旋转套筒4；

S2、移动镜座17，调整反射镜16在第二固定座14内位置，使透过PBS晶体的线偏振光以90°反射到第二检测模块18；

S3、在第二旋转套筒13外部的两个橡胶圈5之间安装紧定螺钉固定第二旋转套筒13后，沿同一方向转动偏振片旋转套筒20，检测并记录不同旋转角度所对应的光束功率，结果如图6所示，标记所测功率的最大值P_max和最小值P_min；

S4、根据公式∆=（P_max- P_min）/（P_max+P_min）计算∆；

S5、卸下第二旋转套筒13外部紧定螺钉，沿同一方向转动第二旋转套筒13；

S6、依次重复步骤S3、S4、S5，直至∆<5%，此时入射的线偏振光束可视为转变为圆偏振光束。为获得更接近理论值的圆偏振光束（∆=0），继续重复S3、S4、S5，直至获得第二旋转套筒13所能达到的∆最小值。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种光束偏振调整装置，其特征在于，包括：第一固定座（1）和第二固定座（14）；其中，

所述第一固定座（1）内部贯通，形成可供入射光穿行的第一光通道；所述第一光通道内部固定设置有偏振分束器（6），所述偏振分束器（6）一侧设有用于检测经所述偏振分束器（6）反射后的光束功率的第一检测模块（7）；所述第一光通道的入口处设有第一旋转套筒（4），所述第一旋转套筒（4）内套接有入光口波片（3），所述入光口波片（3）与入射光的光轴垂直，所述第一旋转套筒（4）带动所述入光口波片（3）沿所述第一光通道的周向旋转；所述第一光通道的出口处设有第二旋转套筒（13），所述第二旋转套筒（13）内套接有出光口波片（12），所述出光口波片（12）与入射光的光轴垂直，所述第二旋转套筒（13）带动所述出光口波片（12）沿所述第一光通道的周向旋转；

所述第二固定座（14）连接在所述第一光通道的出口端，所述第二固定座（14）内设有与所述第一光通道相贯通的第二光通道；所述第二光通道内设有可移动的反射镜模块（15）；所述第二固定座（14）一侧连接有第二检测模块（18）；所述第二检测模块（18）的检测端设置有可旋转的偏振片（21），所述第二检测模块（18）用于检测经所述反射镜模块（15）反射后穿过所述偏振片（21）的光束的功率。

2.如权利要求1所述的光束偏振调整装置，其特征在于：所述偏振分束器（6）为PBS晶体；所述入光口波片（3）为二分之一波片；所述出光口波片（12）为四分之一波片。

3.如权利要求1所述的光束偏振调整装置，其特征在于：所述第一旋转套筒（4）与所述第一固定座（1）的连接处以及所述第二旋转套筒（13）与所述第一固定座（1）的连接处均设有用于密封和旋转阻尼的橡胶圈（5）。

4.如权利要求1所述的光束偏振调整装置，其特征在于：所述第一检测模块（7）包括第一功率探头（8）、窗口片（10）以及窗口片固定座（9）；所述窗口片（10）通过所述窗口片固定座（9）安装在所述第一功率探头（8）的检测端；所述第一功率探头（8）的检测端接收经所述偏振分束器（6）反射后穿过所述窗口片（10）的光束并检测其功率。

5.如权利要求4所述的光束偏振调整装置，其特征在于：所述第一检测模块（7）还包括窗口片压块（11）；所述窗口片压块（11）通过螺纹与所述窗口片固定座（9）连接，将所述窗口片（10）压紧固定在所述第一功率探头（8）的检测端。

6.如权利要求1所述的光束偏振调整装置，其特征在于：所述第二检测模块（18）还包括第二功率探头（19）、偏振片旋转套筒（20）和偏振片压块（22）；所述偏振片压块（22）通过螺纹与所述偏振片旋转套筒（20）连接，将所述偏振片（21）固定在所述偏振片旋转套筒（20）内，所述偏振片旋转套筒（20）带动所述偏振片（21）旋转；所述偏振片旋转套筒（20）设置在所述第二功率探头（19）的检测端；所述第二功率探头（19）接收并检测经所述反射镜模块（15）反射后穿过所述偏振片（21）的光束的功率。

7.如权利要求6所述的光束偏振调整装置，其特征在于：所述偏振片旋转套筒（20）外部设有用于记录旋转角度的刻度盘（23）。

8.如权利要求1所述的光束偏振调整装置，其特征在于：所述反射镜模块（15）包括反射镜（16）和镜座（17）；所述镜座（17）可移动地安装在所述第二光通道内；所述反射镜（16）安装在所述镜座（17）内。

9.如权利要求8所述的光束偏振调整装置，其特征在于：所述镜座（17）为矩形框架结构，所述反射镜（16）安装在矩形框架内，矩形框架侧边设置限位卡槽以限制、定位所述反射镜（16）在调试检测及使用时的位置。

10.一种如权利要求1-9任意一项所述的光束偏振调整装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、转动第一旋转套筒（4），调整入射的线偏振光与入光口波片（3）的夹角，使得第一检测模块（7）处测得的功率值最小后，固定第一旋转套筒（4）；

S2、调整反射镜模块（15）在第二固定座（14）内位置，使透过偏振分束器（6）的线偏振光以90°反射到第二检测模块（18）；

S3、固定第二旋转套筒（13），沿同一方向转动偏振片旋转套筒（20），通过第二检测模块（18）检测并记录不同旋转角度所对应的光束功率，标记所测功率的最大值P_max和最小值P_min；

S4、根据公式∆=（P_max- P_min）/（P_max+P_min）计算∆；

S5、转动第二旋转套筒（13）；

S6、重复步骤S3、S4、S5，直至∆<5%，此时入射的线偏振光束可视为圆偏振光束。