專利名稱：光束偏振旋轉(zhuǎn)裝置及偏振旋轉(zhuǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光系統(tǒng)，特別是一種用于激光系統(tǒng)的光束偏振旋轉(zhuǎn)裝置及偏振旋轉(zhuǎn)方法，尤其是一種能夠滿足大口徑、超強(qiáng)、超短激光系統(tǒng)光束偏振控制需求的光束偏振旋轉(zhuǎn)
裝直。
背景技術(shù)：
偏振旋轉(zhuǎn)裝置在激光系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，例如，諧振腔中Q值的改變、放大鏈內(nèi)光脈沖的捕獲與釋放、光束透反射的轉(zhuǎn)換等。作為激光系統(tǒng)的核心器件之一，其在激光種子源、放大鏈、測試系統(tǒng)、激光應(yīng)用系統(tǒng)等各種場合都發(fā)揮著不可替代的作用。目前，用于實(shí)現(xiàn)偏振旋轉(zhuǎn)控制的主要器件是半波片。通過改變半波片快軸與入射光束偏振方向的夾角來改變出射光束的偏振方向。最常用的方式是半波片快軸與入射光束偏振方向的夾角成45度，出射光束偏振方向相比于入射光束的偏振方向改變90度。依靠半波片改變光束偏振方向雖然結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便，但受限于半波片本身特性，在許多應(yīng)用中仍面臨一些困難，例如可用口徑有限，損傷閾值較低，對波長敏感，前后表面存在剩余反射等。這些都阻礙了其在激光系統(tǒng)，尤其是大口徑、超強(qiáng)、超短激光系統(tǒng)中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述基于半波片的偏振控制器的上述缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種用于激光系統(tǒng)的光束偏振旋轉(zhuǎn)裝置及偏振控制方法，該裝置具有易于實(shí)現(xiàn)大口徑、高損傷閾值、高信噪t匕、寬適用帶寬等特點(diǎn)，能滿足激光系統(tǒng)，尤其是大口徑、超強(qiáng)、超短激光系統(tǒng)光束偏振控制的需求。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種用于激光系統(tǒng)的光束偏振旋轉(zhuǎn)裝置，其特點(diǎn)是該裝置包括第一零相移反射鏡、第二零相移反射鏡和第三零相移反射鏡，上述元部件的位置關(guān)系如下所述的第一零相移反射鏡、第二零相移反射鏡和第三零相移反射鏡同時(shí)垂直于第四平面，所述的第一零相移反射鏡、第二零相移反射鏡和第三零相移反射鏡的中心構(gòu)成一個(gè)等腰三角形的頂點(diǎn)，所述的第一零相移反射鏡的反射面和第二零相移反射鏡的反射面朝外且分別平分所述的等腰三角形的底角，所述的第三零相移反射鏡與所述的第一零相移反射鏡的中心和第二零相移反射鏡的中心的連線的中垂線垂直，且第三零相移反射鏡的反射面朝向所述的中心連線并與所述的中心連線平行，第三零相移反射鏡的中心位于所述的中垂線上，所述的第一零相移反射鏡的中心和第二零相移反射鏡的中心的連線構(gòu)成該裝置的參考光軸。利用上述光束偏振旋轉(zhuǎn)裝置對激光光束的偏振方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)控制的方法，其特點(diǎn)在于該方法包括如下步驟①將所述偏振旋轉(zhuǎn)裝置置于光路中，使所述的參考光軸與系統(tǒng)光軸重合；②將所述偏振旋轉(zhuǎn)裝置作為一個(gè)整體，繞所述參考光軸旋轉(zhuǎn)，使所述的第三零相移反射鏡的鏡面與入射光束的偏振方向平行，標(biāo)記此時(shí)為O位；③將所述偏振旋轉(zhuǎn)裝置作為一個(gè)整體，繞所述參考光軸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)所述偏振旋轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度Θ后，出射光束的偏振方向向相同的方向轉(zhuǎn)動(dòng)2Θ的角度。本發(fā)明的技術(shù)效果是I、本發(fā)明光束偏振旋轉(zhuǎn)裝置，利用平面全反射式器件，當(dāng)入射光束沿本發(fā)明光束偏振旋轉(zhuǎn)裝置的參考光軸方向入射時(shí)，入射光束經(jīng)第一零相移反射鏡、第二零相移反射鏡和第三零相移反射鏡反射后輸出的光束方向保持不變，當(dāng)該裝置繞所述的參考光軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度Θ后，出射光束的偏振方向向相同的方向轉(zhuǎn)動(dòng)2Θ的角度。在不改變輸入光束方向及橫向位置的前提下，可實(shí)現(xiàn)對光束偏振方向的任意旋轉(zhuǎn)；2、本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)大口徑、高損傷閾值、寬帶寬、無剩余反射的光束偏振旋轉(zhuǎn)功能，可有效地解決激光系統(tǒng)、尤其是大口徑、超短、超強(qiáng)激光系統(tǒng)中光束偏振的旋轉(zhuǎn)控制的問 題，解決了用半波片的口徑受限、損傷閾值受限、可用帶寬受限、剩余反射降低信噪比等諸多問題。


圖I是本發(fā)明光束偏振旋轉(zhuǎn)裝置示意中101-參考光軸，102-第一零相移反射鏡鏡面與參考光軸的夾角α，103-第一零相移反射鏡，104-第一零相移反射鏡和第二零相移反射鏡的中心間距，105-第二零相移反射鏡，106第二零相移反射鏡鏡面與參考光軸的夾角α，107-出射光束，108-參考坐標(biāo)系Y軸，109-參考坐標(biāo)系X軸，110-第二零相移反射鏡的法線，111-第三零相移反射鏡中心到參考光軸101的距離，112-第三零相移反射鏡，113-第三零相移反射鏡的法線，114-第一零相移反射鏡的法線，115-入射光束，116-所述光束偏振旋轉(zhuǎn)裝置整體繞參考光軸101旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)標(biāo)記。圖2是本發(fā)明用于激光系統(tǒng)的光束偏振旋轉(zhuǎn)裝置對光束偏振方向旋轉(zhuǎn)的光路示意中201-參考光軸，202-入射光偏振方向，203-入射光，204-參考坐標(biāo)系Y軸，205-參考坐標(biāo)系X軸，206-第三零相移反射鏡法線與參考光軸Y軸夾角，207-出射光束，208-出射光束偏振方向，209-第二零相移反射鏡法線，210-參考坐標(biāo)系Z軸，211-第三零相移反射鏡法線，212-第一零相移反射鏡法線，213-所述光束偏振旋轉(zhuǎn)裝置整體繞參考光軸201旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)標(biāo)記。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。先請參閱圖I和圖2，圖I是本發(fā)明光束偏振旋轉(zhuǎn)裝置示意圖，圖2是本發(fā)明利用光束偏振旋轉(zhuǎn)裝置對激光系統(tǒng)的光束偏振方向旋轉(zhuǎn)的光路示意圖，由圖可見，本發(fā)明光束偏振旋轉(zhuǎn)裝置，包括第一零相移反射鏡103、第二零相移反射鏡105和第三零相移反射鏡112，上述元部件的位置關(guān)系如下所述的第一零相移反射鏡103、第二零相移反射鏡105和第三零相移反射鏡112同時(shí)垂直于第四平面，所述的第一零相移反射鏡103、第二零相移反射鏡105和第三零相移反射鏡112的中心構(gòu)成一個(gè)等腰三角形的頂點(diǎn)，所述的第一零相移反射鏡103的反射面和第二零相移反射鏡105的反射面朝外且分別平分所述的等腰三角形的所在的底角，所述的第三零相移反射鏡112與所述的第一零相移反射鏡103的中心和第二零相移反射鏡105的中心的連線的中垂線垂直，且第三零相移反射鏡112的反射面朝向所述的中心連線并與所述的中心連線平行，第三零相移反射鏡112的中心位于所述的中垂線上，所述的第一零相移反射鏡103的中心和第二零相移反射鏡105的中心的連線構(gòu)成該裝置的參考光軸101。
利用所述的光束偏振旋轉(zhuǎn)裝置對激光光束的偏振方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)控制的方法，包括如下步驟①將所述偏振旋轉(zhuǎn)裝置置于光路中，使所述的參考光軸101與系統(tǒng)光軸201重合；②將所述偏振旋轉(zhuǎn)裝置作為一個(gè)整體，繞所述參考光軸101旋轉(zhuǎn)，使所述的第三零相移反射鏡112的鏡面與入射光束203的偏振方向202平行，標(biāo)記此時(shí)為O位；③將所述偏振旋轉(zhuǎn)裝置作為一個(gè)整體，繞所述參考光軸101旋轉(zhuǎn)，當(dāng)所述偏振旋轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度Θ 206后，出射光束207的偏振方向208向相同的方向轉(zhuǎn)動(dòng)2 Θ的角度。換一句話說，本發(fā)明光束偏振旋轉(zhuǎn)裝置，包括第一零相移反射鏡103、第二零相移反射鏡105和第三零相移反射鏡112，上述三塊反射鏡的位置關(guān)系如下在參考光軸101的光軸方向放置兩塊第一零相移反射鏡103、第二零相移反射鏡105，使其各自中心位于參考光軸101的光軸上，并使經(jīng)過第一零相移反射鏡103的中心114、第二零相移反射鏡105的中心110位于參考坐標(biāo)Y軸108和參考坐標(biāo)X軸109構(gòu)成的水平面內(nèi)，兩塊第一零相移反射鏡103、第二零相移反射鏡105各自的法線114、110與參考光軸101的夾角相等，兩塊反射鏡103、105鏡的反射面向外(指定兩塊反射鏡之間為“內(nèi)”)；在上述兩塊反射鏡103、105中心連線的垂直平分線上，位于所述兩塊反射鏡鏡面朝向的一側(cè)，放置第三零相移反射鏡112，并使其中心位于所述的垂直平分線上，經(jīng)過該第三零相移反射鏡鏡面中心的法線113與上述中分線重合，該第三零相移反射鏡112鏡面朝向上述前兩塊反射鏡103、105的方向；所述第三零相移反射鏡112中心到參考光軸101的間距除以所述前兩塊反射鏡103、105中心距離104的一半所得值應(yīng)與第一零相移反射鏡103鏡面與參考光軸101夾角102的2倍角的正切值相等。本發(fā)明的特點(diǎn)是I、利用三塊零相移全反鏡103、105、112，在不改變輸入光束101方向及橫向位置的前提下，實(shí)現(xiàn)了對輸出光束偏振方向208的任意旋轉(zhuǎn)；2、所述的全反射式光束偏振旋轉(zhuǎn)裝置可以實(shí)現(xiàn)大口徑、高損傷閾值、寬帶寬、無剩余反射的光束偏振旋轉(zhuǎn)功能，其有效解決了激光系統(tǒng)、尤其是大口徑、超短、超強(qiáng)激光系統(tǒng)中，用于實(shí)現(xiàn)偏振旋轉(zhuǎn)的半波片的口徑受限、損傷閾值受限、可用帶寬受限、剩余反射降低信噪比等諸多問題。利用所述的用于激光系統(tǒng)的光束偏振旋轉(zhuǎn)裝置對激光光束的偏振方向控制的方法，特征在于包括如下步驟
①將所述偏振旋轉(zhuǎn)裝置置于光路中，使其參考光軸101與系統(tǒng)光軸201重合；②將所述偏振旋轉(zhuǎn)裝置作為一個(gè)整體，繞所述參考光軸101旋轉(zhuǎn)，使所述第三零相移反射鏡112的鏡面與入射光束203的偏振方向202平行,標(biāo)記此時(shí)為O位；③將所述偏振旋轉(zhuǎn)裝置作為一個(gè)整體，繞所述參考光軸101旋轉(zhuǎn)，當(dāng)所述偏振旋轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度Θ 206后，出射光束的偏振方向208向相同的方向轉(zhuǎn)動(dòng)2 Θ的角度。用三塊反射鏡實(shí)現(xiàn)光束偏振旋轉(zhuǎn)的主要原理如下光束經(jīng)過反射鏡反射后的偏振旋轉(zhuǎn)狀態(tài)可用矩陣形式的反射定律描述Γ =RgI (I)式中，I為入射向量矩陣，I’為出射向量矩陣，R為反射矩陣。
權(quán)利要求
1.一種用于激光系統(tǒng)的光束偏振旋轉(zhuǎn)裝置，其特征是該裝置包括第一零相移反射鏡(103)、第二零相移反射鏡(105)和第三零相移反射鏡(112)，上述元部件的位置關(guān)系如下 所述的第一零相移反射鏡(103)、第二零相移反射鏡(105)和第三零相移反射鏡(112)同時(shí)垂直于第四平面，所述的第一零相移反射鏡(103)、第二零相移反射鏡(105)和第三零相移反射鏡(112)的中心構(gòu)成一個(gè)等腰三角形的頂點(diǎn)，所述的第一零相移反射鏡(103)的反射面和第二零相移反射鏡(105)的反射面朝外且分別平分所述的等腰三角形的底角，所述的第三零相移反射鏡(112)與所述的第一零相移反射鏡(103)的中心和第二零相移反射鏡(105)的中心的連線的中垂線垂直，且第三零相移反射鏡(112)的反射面朝向所述的中心連線并與所述的中心連線平行，第三零相移反射鏡(112)的中心位于所述的中垂線上，所述的第一零相移反射鏡(103)的中心和第二零相移反射鏡(105)的中心的連線構(gòu)成該裝置的參考光軸(101)。
2.利用所述的用于激光系統(tǒng)的光束偏振旋轉(zhuǎn)裝置對激光光束的偏振方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)控制的方法，其特征在于該方法包括如下步驟 ①將所述偏振旋轉(zhuǎn)裝置置于光路中，使所述的參考光軸(101)與系統(tǒng)光軸(201)重合； ②將所述偏振旋轉(zhuǎn)裝置作為一個(gè)整體，繞所述參考光軸101旋轉(zhuǎn)，使所述的第三零相移反射鏡(112)的鏡面與入射光束(203)的偏振方向(202)平行，標(biāo)記此時(shí)為O位； ③將所述偏振旋轉(zhuǎn)裝置作為一個(gè)整體，繞所述參考光軸(101)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)所述偏振旋轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度Θ (206)后，出射光束(207)的偏振方向(208)向相同的方向轉(zhuǎn)動(dòng)2 Θ的角度。
全文摘要
一種用于激光系統(tǒng)的光束偏振旋轉(zhuǎn)裝置及偏振控制方法，該裝置包括第一零相移反射鏡、第二零相移反射鏡和第三零相移反射鏡，三塊反射鏡的中心構(gòu)成一個(gè)等腰三角形的頂點(diǎn)，所述的第一零相移反射鏡的反射面和第二零相移反射鏡的反射面朝外且分別平分所述的等腰三角形的底角，所述的第三零相移反射鏡與所述的第一零相移反射鏡的中心和第二零相移反射鏡的中心的連線的中垂線垂直，所述的第一零相移反射鏡的中心和第二零相移反射鏡的中心的連線構(gòu)成該裝置的參考光軸。本發(fā)明具有易于實(shí)現(xiàn)大口徑、高損傷閾值、高信噪比等特點(diǎn)，能滿足激光系統(tǒng)，尤其是大口徑、超強(qiáng)、超短激光系統(tǒng)光束偏振控制的需求。
文檔編號G02B27/28GK102830500SQ20121033248
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月10日
發(fā)明者高妍琦, 曹兆棟, 楊學(xué)東, 馮偉, 劉海輝, 馬偉新, 朱儉, 戴亞平 申請人:上海激光等離子體研究所