CN204230621U - 一种用于产生径向偏振激光的谐振腔结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于激光及光学技术领域，具体涉及一种用于产生径向偏振激光的谐振腔结构。它包括尾镜、第一等效1/2波片、第二等效1/2波片、窗口镜和三段增益区，所述三段增益区通过第一等效1/2波片和第二等效1/2波片空间折叠串接在一起形成完整的谐振腔光程，所述尾镜和窗口镜分别位于谐振腔光程的首尾两端，三段增益区所在谐振腔光程的光轴相互平行，第一等效1/2波片的光轴与第二等效1/2波片的光轴之间的夹角为45度。本实用新型通过尾镜将腔内光束的起始偏振态确定为角向偏振，然后利用偏振镜将多个增益区串接，从而直接得到径向偏振激光的输出，该谐振腔没有任何外部转换光学器件，结构简单，易于实现。

Description

一种用于产生径向偏振激光的谐振腔结构

技术领域

本实用新型属于激光及光学技术领域，具体涉及一种用于产生径向偏振激光的谐振腔结构。

背景技术

近来，随着全息、相干、光谱、光化学和加速器等技术的发展，对一些特殊的轴对称偏振激光如径向偏振激光的需求越来越大。另外，在激光加工中，尤其是在激光切割加工中，为保证线偏振(S-偏振或P-偏振)激光在不同加工方向上加工质量的均匀一致性，通常需将线偏振激光转转成圆偏振激光后再去进行加工，但该方法比较复杂，为此寻求一种既没有方向选择性，又具有比圆偏振激光更高的材料吸收率的激光源，就是激光加工产业界所追求的目标，而径向偏振激光正是具有这样特性的激光源。

目前用于直接产生轴对称径向偏振激光输出的方法有两种：

一是通过在激光器的谐振腔内引入具有偏振选择特性的光学元件，如采用具有径向偏振选择特性的光栅镜作为激光器的尾镜，来直接产生径向偏振激光输出。但光栅镜结构复杂，制作比较困难，而且在大功率工作条件下其使用寿命也难以得到保证。

二是首先得到线偏振激光或角向偏振激光输出，然后采用腔外光学系统来进行偏振态的转换，从而得到径向偏振激光。对激光器通常所产生的线偏振激光，在腔外采用旋波片光学元件，将线偏振光束转变为径向偏振光束，但像旋波片这样特殊的光学元件结构非常复杂，其制作也十分困难。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种结构更为简单且易于实现的用于产生径向偏振激光的谐振腔结构。

本实用新型采用的技术方案是：一种用于产生径向偏振激光的谐振腔结构，包括尾镜、第一等效1/2波片、第二等效1/2波片、窗口镜和三段增益区，所述三段增益区分别为第一增益区、第二增益区和第三增益区；所述第一等效1/2波片将第一增益区所在谐振腔光程的尾端光轴与第二增益区所在谐振腔光程的首端光轴串接在一起；所述第二等效1/2波片将第二增益区所在谐振腔光程的尾端光轴与第三增益区所在谐振腔光程的首端光轴串接在一起，形成完整的谐振腔光程；所述尾镜和窗口镜分别位于谐振腔光程的首尾两端，所述三段增益区所在谐振腔光程的光轴相互平行，第一等效1/2波片的光轴与第二等效1/2波片的光轴之间的夹角为45度。

尾镜用来将谐振腔内的起始偏振态确定为角向偏振，通过等效1/2波片串接的相邻两个光轴形成两个夹角为45度的相交平面，这就意味着两个等效1/2波片的光轴之间的夹角也刚好为45度。在这种情况下，当光束依次通过这两个光轴交叉45度的等效1/2波片后，该入射光束的偏振方向刚好旋转90度，由于入射光束为角向偏振，那么通过此变换后就变成了径向偏振，此偏振态的部分光束经窗口镜输出后，偏振方向保持不变，输出的激光束即为径向偏振激光。

进一步地，所述尾镜和窗口镜分别位于第一增益区所在谐振腔光程的首端和第三增益区所在谐振腔光程的尾端。

进一步地，所述第一等效1/2波片包括具有高反射率和1/4波片相位延迟特性的两个偏振镜，两个偏振镜分别位于第一增益区所在谐振腔光程的尾端和第二增益区所在谐振腔光程的首端，两个偏振镜按入射光束与各自法线呈45度角位置放置。

进一步地，所述第二等效1/2波片包括具有高反射率和1/4波片相位延迟特性的两个偏振镜，两个偏振镜分别位于第二增益区所在谐振腔光程的尾端和第三增益区所在谐振腔光程的首端，两个偏振镜按入射光束与各自法线呈45度角位置放置。

四个具有1/4波片相位延迟特性的高反射率偏振镜，均按入射光束与各自法线成45度入射角位置放置，在实现增益长度串接的同时，两个一组刚好形成了两个等效1/2波片，均可使得通过它的光束的偏振方向发生旋转。

进一步地，所述尾镜为与输出激光波长相匹配的光栅镜。

更进一步地，所述尾镜为锥角是90度的内锥镜。

当尾镜具有角向偏振选择特性时，通过上述技术方案，就可以直接得到径向偏振激光输出，这对于大幅提高激光切割加工的速度或效率具有十分重大的经济价值，也用于粒子加速器等研究，具有重大的科学意义。由于金属反射镜或金属内锥镜一般对S-偏振的反射率要高于对P-偏振的反射率，采用锥角为90度的内锥尾镜时可以很容易实现角向偏振选择。

本实用新型通过尾镜将腔内光束的起始偏振态确定为角向偏振，然后利用具有相位延迟特性的偏振镜将多个增益区串接，在实现增益长度串接的同时，又实现了偏振方向的旋转变换，从而直接得到径向偏振激光的输出。该谐振腔没有任何外部转换光学器件，结构简单，易于实现。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型另一视角的结构示意图。

图3为本实用新型的端面示意图。

图4为本实用新型偏振镜2和3组成的等效1/2波片17的示意图。

图5为本实用新型偏振镜4和5组成的等效1/2波片18的示意图。

图6为本实用新型由4个偏振镜所形成的两个等效1/2波片光轴交叉45度的结构示意图。

图7为本实用新型两个等效1/2波片的光轴交叉45度进行轴对称偏振转换的示意图。

图8为本实用新型两个等效1/2波片的光轴交叉45度进行轴对称偏振方向正交转换的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明，便于清楚地了解本实用新型，但它们不对本实用新型构成限定。

如图1所示，本实用新型的轴对称偏振激光谐振腔结构，由具有轴对称偏振(角向偏振或者径向偏振)选择特性的高反射率尾镜1、具有1/4波片相位延迟特性的高反射率偏振镜2、3、4、5和具有部分反射部分透射特性的输出窗口镜6、以及相互平行的三段增益区组成。其中，三段增益区分别为第一增益区7、第二增益区8和第三增益区9，其各自所在光程的光轴分别为10、11、12，光轴10、11、12相互平行。具有高反射率的偏振镜2、3、4、5的入射光束和反射光束与其相应法线之间的夹角均为45度，并将第一增益区7、第二增益区8和第三增益区9所在的谐振腔光程有效地串接在一起形成完整的谐振腔光程，尾镜1和窗口镜6分别位于谐振腔光程的首尾两端，且其各自的中轴线分别与其所在的谐振腔光程的光轴同轴，尾镜1和窗口镜6的位置可以互换，效果相同，只是输出激光的位置和方向发生改变。具体的串接方式为：偏振镜2和3组成的第一等效1/2波片17将第一增益区7所在谐振腔光程的尾端光轴与第二增益区8所在谐振腔光程的首端光轴串接在一起；偏振镜4和5组成的第二等效1/2波片18将第二增益区8所在谐振腔光程的尾端光轴与第三增益区9所在谐振腔光程的首端光轴串接在一起，形成完整的谐振腔光程；即偏振镜2和3分别位于第一增益区7所在谐振腔光程的尾端和第二增益区8所在谐振腔光程的首端，偏振镜4和5分别位于第二增益区8所在谐振腔光程的尾端和第三增益区9所在谐振腔光程的首端，尾镜1和窗口镜6分别位于第一增益区7所在谐振腔光程的首端和第三增益区9所在谐振腔光程的尾端，组成一个空间多折的激光谐振腔。激光在该谐振腔内振荡，并在第一增益区7、第二增益区8和第三增益区9中得到放大，然后部分激光通过窗口镜6透射出去形成输出激光13。三段增益区中的介质可以为各种激光增益材料，其截面密度分布具有轴对称均匀性。

如图2所示，本实用新型轴对称偏振激光谐振腔结构中，尾镜1用来将腔内起始偏振态确定为角向偏振，具有1/4波片相位延迟特性的高反射率偏偏振镜2和3的入射光束和反射光束与其各自法线均成45度放置在一起形成第一等效1/2波片，可将通过该波片的光束的偏振方向旋转一定的角度。同理，具有1/4波片相位延迟特性的高反射率偏振镜4和5形成第二等效1/2波片，也将产生同样的偏振方向旋转效果。等效二分之一波片，除可以用上面提到的两个具有1/4波片相位延迟特性的偏振镜组成外，还可以用多片1/8波片或其他波片组合而成。

如图2、3所示，在本实用新型的“∠”形空间多折激光谐振腔中，通过偏振镜2和3串接的光轴10和11所形成的平面15与通过偏振镜4和5串接的光轴11和12所形成的平面16相交于光轴11，两个平面呈“∠”形分布，并且这两个平面之间的夹角14为45度。这就意味着偏振镜2和3组成的第一等效1/2波片与偏振镜4和5组成的第二等效1/2波片的光轴之间的夹角刚好为45度。在这种情况下，当光束依次通过这两个光轴交叉45度的等效1/2波片后，该入射光束的偏振方向刚好旋转90度，由于入射光束为角向偏振，那么通过此变换后就变成了径向偏振，此偏振态的部分光束经窗口镜6输出后，偏振方向保持不变，即输出的激光束即为径向偏振特性。

如图4所示，具有1/4波片相位延迟特性的偏振镜2和3，当分别按入射角与其法线2′和3′成45度位置放置时，即构成了一个反射式倒行的第一等效1/2波片17。当入射光束19通过该波片后，出射光束20的偏振方向会发生一定角度的旋转。

同理，如图5所示，当入射光束20通过由具有1/4波片相位延迟特性的偏振镜4和5(其法线分别为4′和5′)构成的第二等效1/2波片18后，出射光束21的偏振方向也将发生一定角度的旋转。

如图6所示，图4中的第一等效1/2波片17的光轴所在平面15由光轴10和11所确定，偏振镜2和3的法线2′和3′也落在该平面15上。同理，图5中的第二等效1/2波片18的光轴所在平面16由光轴11和12所确定，偏振镜4和5的法线4′和5′也落在该平面16上，平面15和平面16之间的夹角14为45度。

图7为图6系统的等效示意图。当光束19(其图示偏振态为角向偏振19′)通过第一等效1/2波片17后，相应出射光束20的偏振方向即发生一定角度的旋转。同理，当光束20再通过第二等效1/2波片18后，相应出射光束21的偏振方向也会发生一定角度的旋转。由于第一等效1/2波片17和第二等效1/2波片18的光轴17′和18′之间的夹角14刚好为45度，这就意味着：当光束19依次通过这样空间放置的第一等效1/2波片17和第二等效1/2波片18后，其出射光束20的偏振方向刚好旋转了90度，即其偏振方向由角向偏振18′变成了径向偏振20′。同理分析，上述偏振方向的转换过程是可逆的，如经窗口镜部分反射回腔内的径向偏振光束，再次经过该系统后，又将还原为角向偏振光束。

图8为两个光轴夹角为45度的1/2波片进行角向偏振和径向偏振相互转换的原理图。在xoy坐标系中，首先选择第一等效1/2波片17的光轴17′与y轴平行，当入射光束截面上任意一点A处的偏振方向为角向偏振Eφ、且与第一等效1/2波片17的光轴17′之间的夹角为α时，通过第一等效1/2波片17后，其偏振方向即发生2α角度的旋转而变为E′，E′与光轴17′之间的夹角即为α。同理，当E′再通过第二等效1/2波片18后，其偏振方向也将发生2θ角度的旋转而变为，这里，θ为E′与第二等效1/2波片18的光轴18′之间的夹角；那么，第一等效1/2波片17和第二等效1/2波片18的光轴17′和18′之间的夹角即为(α+θ)。可见，入射光束依次经过第一等效1/2波片17和第二等效1/2波片18后，出射光束的偏振方向与入射光束的偏振方向之间的旋转角度共为2(α+θ)。显然，当第一等效1/2波片17和第二等效1/2波片18的光轴17′和18′之间的夹角(α+θ)选定为45度时，与之间刚好发生了90度的旋转，此即角向偏振Eφ的入射光束变成了径向偏振Er的出射光束。同理，轴对称偏振(角向或径向)光束经过光轴交叉45度放置的等效1/2波片的偏振态的转换过程是互逆的，即当尾镜选择的起始偏振态为径向偏振时，该谐振腔也可输出角向偏振激光。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种用于产生径向偏振激光的谐振腔结构，其特征在于：包括尾镜(1)、第一等效1/2波片、第二等效1/2波片、窗口镜(6)和三段增益区；所述三段增益区分别为第一增益区(7)、第二增益区(8)和第三增益区(9)，所述第一等效1/2波片将第一增益区(7)所在谐振腔光程的尾端光轴与第二增益区(8)所在谐振腔光程的首端光轴串接在一起；所述第二等效1/2波片将第二增益区(8)所在谐振腔光程的尾端光轴与第三增益区(9)所在谐振腔光程的首端光轴串接在一起，形成完整的谐振腔光程；所述尾镜和窗口镜分别位于谐振腔光程的首尾两端，所述三段增益区所在谐振腔光程的光轴相互平行，第一等效1/2波片的光轴与第二等效1/2波片的光轴之间的夹角为45度。

2.根据权利要求1所述的一种用于产生径向偏振激光的谐振腔结构，其特征在于：所述尾镜(1)和窗口镜(8)分别位于第一增益区(7)所在谐振腔光程的首端和第三增益区(9)所在谐振腔光程的尾端。

3.根据权利要求1所述的一种用于产生径向偏振激光的谐振腔结构，其特征在于：所述第一等效1/2波片包括具有高反射率和1/4波片相位延迟特性的两个偏振镜，两个偏振镜分别位于第一增益区所在谐振腔光程的尾端和第二增益区所在谐振腔光程的首端，两个偏振镜按入射光束与各自法线呈45度角位置放置。

4.根据权利要求1所述的一种用于产生径向偏振激光的谐振腔结构，其特征在于：所述第二等效1/2波片包括具有高反射率和1/4波片相位延迟特性的两个偏振镜，两个偏振镜分别位于第二增益区所在谐振腔光程的尾端和第三增益区所在谐振腔光程的首端，两个偏振镜按入射光束与各自法线呈45度角位置放置。

5.根据权利要求1-4中任一所述的一种用于产生径向偏振激光的谐振腔结构，其特征在于：所述尾镜为与输出激光波长相匹配的光栅镜。

6.根据权利要求1-4中任一所述的一种用于产生径向偏振激光的谐振腔结构，其特征在于：所述尾镜为锥角是90度的内锥镜。