CN203233046U - 一种环形偏振补偿的固体激光器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种环形偏振补偿的固体激光器，包括激光输出镜，还包括依次设置在激光输出镜一侧的λ/4波片、激光增益介质和偏振分束镜，激光增益介质出射的激光经过偏振分束镜后一部分形成反射S光，另一部分形成透射P光，透射P光依次经过第一反射镜、λ/2波片和第二反射镜后与反射S光重合且方向相反，反射S光依次经过第二反射镜、λ/2波片和第一反射镜与透射P光重合且方向相反。本实用新型利用偏振分光的原理和波片旋光技术实现正交偏振光的封闭传输和补偿；在耦合主振荡光路上采用调Q的控制，在达到高效运行的同时，获得激光的偏振输出；采用环形偏振补偿的方法有效的压缩了激光谐振腔的腔长，可获得更高的电光转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及激光器领域，具体涉及一种环形偏振补偿的固体激光器。它适用于激光工业加工及科研应用领域。
背景技术
获得高平均功率、高峰值功率、高光束质量的偏振光或绿光的输出，一直是激光器研制领域的热点问题。其中共性的技术问题是在谐振腔内获得高光束质量的损耗小的线偏光，为了达到上述目标，通常采用在谐振腔内加入起偏元件(布鲁斯特片、格兰棱镜、薄膜起偏器等)获得偏振的激光输出，然后将倍频器件放在谐振腔内部（腔内倍频技术）或外部（腔外倍频技术）实现高效绿光输出。然而上述器件应用到Nd：YAG这种各向同性的激光介质构成的激光器或者各向异性的增益介质时，无论在连续状态下运行还是调Q脉冲状态下运行，由于激光晶体的热致双折射效应，会大大增加谐振腔的退偏损耗，致使激光器的输出激光功率和激光模式大大地下降。
发明内容
本发明的目的在于针对上述技术上存在的问题，提供了一种环形偏振补偿的固体激光器。本发明将退偏损耗的部分能量通过偏振态的转换返回到主谐振腔，提高激光器偏振态输出的同时降低退偏损耗，实现了退偏损耗的再利用。另一方面，该发明增加了激光系统整体的转换效率，提高输出激光的光束质量、获得偏振态可控的激光输出，该发明也可以应用于倍频绿激光的产生。
一种环形偏振补偿的固体激光器，包括激光输出镜，还包括依次设置在激光输出镜一侧的λ/4波片、激光增益介质和偏振分束镜，激光增益介质出射的激光经过偏振分束镜一部分形成反射S光，另一部分形成透射P光，透射P光依次经过第一反射镜、λ/2波片和第二反射镜后与反射S光重合且方向相反，反射S光依次经过第二反射镜、λ/2波片和第一反射镜与透射P光重合且方向相反。
如上所述的偏振分束镜与激光增益介质之间的光路上设置有调Q器件。
如上所述的第一反射镜和偏振分束镜之间的光路上设置有调Q器件。
本发明提供的环形偏振补偿的结构，它包括位于激光输出镜、λ/4波片、激光增益介质、调Q器件、偏振分束镜、第一反射镜，λ/2波片，第二反射镜等组成。谐振腔内的激光经过偏振分束镜分成偏振态正交的光束p光和s光，两束激光在环形封闭光路内传输后回到偏振分束镜耦合进入主振荡光路，从而补偿的退偏片损耗，有利于获得高平均功率、高峰值功率、高光束质量的激光输出。具体而言，本发明具有以下优点：
（1）利用偏振分光的原理和波片旋光技术实现正交偏振光的封闭传输和补偿。
（2）利用偏振分光的原理，在耦合主振荡光路上采用调Q的控制，在达到高效运行的同时，获得激光的偏振输出。
（4）在主光路中加入λ/4波片，通过旋转波片的方位角实现可控偏振态的激光输出。
（5）采用环形偏振补偿的方法有效的压缩了激光谐振腔的腔长，可获得更高的电光转换效率。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是本发明实施例2的结构示意图；
图3是本发明实施例3的结构示意图；
图4是本发明在倍频绿光输出的结构示意图。
图中，1-激光输出镜；2-λ/4波片；3-激光增益介质；4-调Q器件；5-偏振分束镜；6-第一反射镜；7-λ/2波片；8-第二反射镜；9-倍频晶体；10-激光器主干路全反镜；11-双色镜。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。
实施例1：
图1所示，该激光器包括激光输出镜1，λ/4波片2，激光增益介质3，偏振分束镜5，第一反射镜6，λ/2波片7，第二反射镜8。其中激光输出镜1，偏振分束镜5，第一反射镜6，第二反射镜8构成激光谐振腔。激光分束镜5与激光输出1之间的光路为谐振腔的主光路。
激光输出镜1是半透半反镜，在提高谐振腔足够反射放大的同时，实现激光输出。
λ/4波片2，位于激光谐振腔的主光路上，控制谐振腔输出激光的偏振态的比例和成分。
激光增益介质3，位于激光谐振腔的主光路上，可以是各向同性的激光介质也可以是各向异性的激光增益介质。
偏振分束镜5是起偏镜，它可以是以布儒斯特角度放置的偏振镜(其镜片法线与谐振腔的主光路的夹角为布儒斯特角)，也可以是有起偏分束作用的其他光学元件，如格兰棱镜等。
第一反射镜6，λ/2波片7，第二反射镜8与偏振分束镜5构成环形封闭的偏振补偿光路。
工作原理为：在谐振腔主光路中的激光传输到偏振分束镜5时，被偏振分束镜5将激光分成具有偏振态相互垂直的p光和s光，p光的偏振态平行于XY平面，s的光偏振态垂直于XY平面(XY平面为图1所示，即谐振腔的主光路和偏振补偿光路所在的平面)，其中透射的p光经第一反射镜6反射后进入第二反射镜8和第一反射镜6构成的光路，在此光路中被λ/2波片7将其偏振态旋转90度，成为偏振态垂直于XY平面的转换s光，经第二反射镜8反射后回到偏振分束镜5，此时通过偏振分束镜返回到谐振腔主光路；与此同时，被偏振分束镜5反射的s光经第二反射镜8反射后进入第一反射镜6和第二反射镜8构成的光路，在此光路中被λ/2波片7将其偏振态旋转90度，成为偏振态平行于XY平面的转换p光,此时通过偏振分束镜返回到谐振腔主光路内。回到谐振腔主光路内的激光具有正交偏振态光束，该光束经过激光增益介质3放大后，传输至λ/4波片处，若λ/4波片的光轴与两正交偏振光相同，则输出激光具有正交偏振的特性；若λ/4波片的光轴与偏振态振动方向夹角45度，则输出的激光具有园偏振的输出特性；若λ/4波片的光轴与偏振态振动方向夹角在0度和45度之间，则输出的激光具有椭圆偏振的输出特性。
由于激光晶体退偏损耗通过环形偏振补偿技术回到谐振腔中，原有技术中的退偏损耗得到了再利用，激光系统的整体转换效率提高近30%，输出光斑的形状由未补偿的十字形光斑，变成了圆形光斑，光束质量也得到大幅度的提高。
实施例2：
图2给出了本发明激光器在调Q运行下的一种应用实例，如图2所示，该激光器包括激光输出镜1，λ/4波片2，激光增益介质3，调Q器件4，偏振分束镜5，第一反射镜6，λ/2波片7，第二反射镜8。其中激光输出镜1，偏振分束镜5，第一反射镜6，第二反射镜8构成激光谐振腔。激光分束镜5与激光输出1之间的光路为谐振腔的主光路。
激光输出镜1是半透半反镜，在提高谐振腔足够反射放大的同时，实现激光输出。
λ/4波片2，位于激光谐振腔的主光路上，控制谐振腔输出激光的偏振态的比例和成分。
激光增益介质3，位于激光谐振腔的主光路上，可以是各向同性的激光介质也可以是各向异性的激光增益介质。
调Q器件4是声光调Q器件，在主光路中起到关断光路实现调Q运行的功能。
偏振分束镜5是起偏镜，它可以是以布儒斯特角度放置的偏振镜(其镜片法线与谐振腔的主光路的夹角为布儒斯特角)，也可以是有起偏分束作用的其他光学元件，如格兰棱镜等。
第一反射镜6，λ/2波片7，第二反射镜8与偏振分束镜5构成环形封闭的偏振补偿光路。
工作原理为：在谐振腔主光路中的激光传输到偏振分束镜5时，被偏振分束镜5将激光分成具有偏振态相互垂直的p光和s光，p光的偏振态平行于XY平面，s的光偏振态垂直于XY平面(XY平面为图2所示，即谐振腔的主光路和偏振补偿光路所在的平面)，其中透射的p光经第一反射镜6反射后进入第二反射镜8和第一反射镜6构成的光路，在此光路中被λ/2波片7将其偏振态旋转90度，成为偏振态垂直于XY平面的转换s光，经第二反射镜8反射后回到偏振分束镜5，此时通过偏振分束镜返回到谐振腔主光路；与此同时，被偏振分束镜5反射的s光经第二反射镜8反射后进入第一反射镜6和第二反射镜8构成的光路，在此光路中被λ/2波片7将其偏振态旋转90度，成为偏振态平行于XY平面的转换p光,此时通过偏振分束镜返回到谐振腔主光路。回到谐振腔主光路内的激光具有正交偏振态光束，该光束经过激光增益介质3放大后，传输至λ/4波片处，若λ/4波片的光轴与两正交偏振光相同，则输出激光具有正交偏振的特性；若λ/4波片的光轴与偏振态振动方向夹角45度，则输出的激光具有园偏振的输出特性；若λ/4波片的光轴与偏振态振动方向夹角在0度和45度之间，则输出的激光具有椭圆偏振的输出特性。调Q器件4放置在谐振腔主光路激光增益介质3和偏振分束镜5中间，由于声光器件4调Q开关光的原理与激光的偏振态无关，因此通过对主光路光线的控制可实现激光器在调Q状态下运行。
实施例3：
图3给出了本发明激光器在调Q运行下的第二种应用实例，如图3所示，该激光器包括激光输出镜1，λ/4波片2，激光增益介质3，调Q器件4，偏振分束镜5，第一反射镜6，λ/2波片7，第二反射镜8。其中激光输出镜1，偏振分束镜5，第一反射镜6，第二反射镜8构成激光谐振腔。激光分束镜5与激光输出1之间的光路为谐振腔的主光路。
激光输出镜1是半透半反镜，在提高谐振腔足够反射放大的同时，实现激光输出。
λ/4波片2，位于激光谐振腔的主光路上，控制谐振腔输出激光的偏振态的比例和成分。
激光增益介质3，位于激光谐振腔的主光路上，可以是各向同性的激光介质也可以是各向异性的激光增益介质。
调Q器件4是声光调Q器件也可以是电光调Q器件，放置在循环的支路上，通过同时关断之路中p偏振光和s偏振光来实现激光器的调Q运行，获得高峰值激光脉冲的激光输出。
偏振分束镜5是起偏镜，它可以是以布儒斯特角度放置的偏振镜(其镜片法线与谐振腔的主光路的夹角为布儒斯特角)，也可以是有起偏分束作用的其他光学元件，如格兰棱镜等。
第一反射镜6，λ/2波片7，第二反射镜8与偏振分束镜5构成环形封闭的偏振补偿光路。
工作原理为：在谐振腔主光路中的激光传输到偏振分束镜5时，被偏振分束镜5将激光分成具有偏振态相互垂直的p光和s光，p光的偏振态平行于XY平面，s的光偏振态垂直于XY平面(XY平面为图3所示，即谐振腔的主光路和偏振补偿光路所在的平面)，其中透射的p光经第一反射镜6反射后进入第二反射镜8和第一反射镜6构成的光路，在此光路中被λ/2波片7将其偏振态旋转90度，成为偏振态垂直于XY平面的转换s光，经第二反射镜8反射后回到偏振分束镜5，此时通过偏振分束镜返回到谐振腔主光路；与此同时，被偏振分束镜5反射的s光经第二反射镜8反射后进入第一反射镜6和第二反射镜8构成的光路，在此光路中被λ/2波片7将其偏振态旋转90度，成为偏振态平行于XY平面的转换p光,此时通过偏振分束镜返回到谐振腔主光路吧。回到主谐振腔内的激光具有正交偏振态光束，该光束经过激光增益介质3放大后，传输至λ/4波片处，若λ/4波片的光轴与两正交偏振光相同，则输出激光具有正交偏振的特性；若λ/4波片的光轴与偏振态振动方向夹角45度，则输出的激光具有园偏振的输出特性；若λ/4波片的光轴与偏振态振动方向夹角在0度和45度之间，则输出的激光具有椭圆偏振的输出特性。调Q器件4放置在偏振分束镜5，第一反射镜6和第二反射镜8构成环形封闭的偏振补偿光路中。若调Q器件为声光调Q器件，由于声光器件4开关光的原理与激光的偏振态无关，通过同时关断之路中p偏振光和s偏振光来实现激光器的调Q运行。若调Q器件为电光调Q器件，当电光晶体通过加电压成为λ/2波片时，p偏振的光束由于先后通过电光晶体和λ/2波片7，偏振态依然维持p偏振，反射到偏振分束镜5时，光束直接传输到谐振腔的外部；同理s偏振的光束由于先后通过电光晶体和λ/2波片7，偏振态依然维持s偏振，反射到偏振分束镜5时，光束直接传输到谐振腔的外部，主谐振腔被关断，从而实现激光器调Q运行。
实施例4：
图4给出了本发明在倍频绿光激光器设计中应用实例，该激光器包括激光器主干路全反镜10，激光增益介质3，调Q器件4，偏振分束镜5，双色镜11，λ/2波片7，第二反射镜8，倍频晶体9；其中激光器主干路输出镜10，偏振分束镜5，激光输出镜11，第二反射镜8构成激光谐振腔。激光分束镜5与激光器主干路全反镜10之间的光路为谐振腔的主光路。
激光器主干路全反镜10是激光的全反镜，在提高谐振腔足够反射放大。
激光增益介质3，位于激光谐振腔的主光路上，可以是各向同性的激光介质也可以是各向异性的激光增益介质。
调Q器件4是声光调Q器件,在主光路中起到关断光路实现调Q运行的功能。
偏振分束镜5是起偏镜，它可以是以布儒斯特角度放置的偏振镜(其镜片法线与谐振腔光轴的夹角为布儒斯特角)，也可以是有起偏分束作用的其他光学元件，如格兰棱镜等。
双色镜11，镀有对激光波长的全反膜和对倍频绿激光的高增透膜，可实现倍频绿激光的输出。
双色镜11，λ/2波片7，第二反射镜8与偏振分束镜5构成环形封闭偏振补偿光路。
倍频晶体9，为长方体形状，一个端面镀有对激光和倍频绿光的高增透明膜，一端镀有对激光的高增透和对倍频绿光高全反的膜层。
工作原理为：在谐振腔主光路中的激光传输到偏振分束镜5时，被偏振分束镜5将激光分成具有偏振态相互垂直的p光和s光，p光的偏振态平行于XY平面，s的光偏振态垂直于XY平面(XY平面为图4所示，即谐振腔的主光路和偏振补偿光路所在的平面)，其中透射的p光经双色镜11反射后进入第二反射镜8和双色镜11构成的光路，在此光路中被λ/2波片7将其偏振态旋转90度，成为偏振态垂直于XY平面的转换s光，经第二反射镜8反射后回到偏振分束镜5，此时通过偏振分束镜返回到谐振腔主光路；与此同时，被偏振分束镜5反射的s光经第二反射镜8反射后进入双色镜11和第二反射镜8构成的光路，在此光路中被λ/2波片7将其偏振态旋转90度，成为偏振态平行于XY平面的转换p光,通过偏振分束镜返回到谐振腔主光路。此时回到主谐振腔内的激光具有正交偏振态光束，该光束经过激光增益介质3放大后，再被激光器主干路全反镜10反射。倍频晶体9放在环形偏振补偿光路中，由于环形偏振补偿回路中振荡的激光为正交的两个线偏光，采用II类相位匹配的方案可获得高效的倍频效率。
具体实现时，激光增益介质3，调Q器件4之间的顺序还可以作其它的变化，这种变化只可能带来输出激光偏振特性的不同，不影响本发明的目的和技术效果的实现。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (3)
1.一种环形偏振补偿的固体激光器，包括激光输出镜（1），其特征在于，还包括依次设置在激光输出镜（1）一侧的λ/4波片（2）、激光增益介质（3）和偏振分束镜（5），激光增益介质（3）出射的激光经过偏振分束镜（5）一部分形成反射S光，另一部分形成透射P光，透射P光依次经过第一反射镜（6）、λ/2波片（7）和第二反射镜（8）后与反射S光重合且方向相反，反射S光依次经过第二反射镜（8）、λ/2波片（7）和第一反射镜（6）与透射P光重合且方向相反。
2.根据权利要求1所述的一种环形偏振补偿的固体激光器，其特征在于，所述的偏振分束镜（5）与激光增益介质（3）之间的光路上设置有调Q器件（4）。
3.根据权利要求1所述的一种环形偏振补偿的固体激光器，其特征在于，所述的第一反射镜（6）和偏振分束镜（5）之间的光路上设置有调Q器件（4）。
Priority Applications (1)
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| CN 201320258984 CN203233046U (zh) | 2013-05-14 | 2013-05-14 | 一种环形偏振补偿的固体激光器 |
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Cited By (1)
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Legal Events
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Denomination of utility model: Solid laser with annular polarization compensation Effective date of registration: 20150716 Granted publication date: 20131009 Pledgee: Wuhan rural commercial bank Limited by Share Ltd Optics Valley branch Pledgor: Wuhan Meiman Technology Co., Ltd. Registration number: 2015990000565 |
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| PLDC | Enforcement, change and cancellation of contracts on pledge of patent right or utility model | ||
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| PP01 | Preservation of patent right |
Effective date of registration: 20170419 Granted publication date: 20131009 |
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| PD01 | Discharge of preservation of patent |
Date of cancellation: 20200419 Granted publication date: 20131009 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20131009 Termination date: 20180514 |