一種帶有自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的軸對(duì)稱偏振固體激光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種帶有自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的軸對(duì)稱偏振固體激光器,包括:變形反射鏡、擴(kuò)束器、單晶泵浦模組、輸出耦合鏡、線偏振平行光束、狹縫、線狀光束焦距的測(cè)量組件以及控制變形反射鏡面形的控制組件。本發(fā)明采用線偏振平行光束、狹縫和線狀光束焦距測(cè)量組件實(shí)時(shí)測(cè)量單晶泵浦模組對(duì)徑向或角向偏振光束的聚焦強(qiáng)度,通過調(diào)節(jié)變形反射鏡的曲率半徑穩(wěn)定徑向和角向偏振光束的模體積,從而達(dá)到穩(wěn)定輸出功率的目的。
【專利說明】一種帶有自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的軸對(duì)稱偏振固體激光器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及到一種固體激光器,屬于激光領(lǐng)域,特別是輸出為軸對(duì)稱偏振的固體激光器。
【背景技術(shù)】
[0002]軸對(duì)稱偏振光束是指偏振態(tài)具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱特性的光束,常常指徑向偏振光束和角向偏振光束(又稱切向偏振光束)。軸對(duì)稱偏振光束具有獨(dú)特的物理特性,在許多領(lǐng)域有著不可替代的作用。徑向偏振光束經(jīng)過高數(shù)值孔徑物鏡聚焦后要比其他偏振態(tài)光束焦斑小,在焦斑處有著很強(qiáng)的縱向分量,在激光切割、加工領(lǐng)域有著比其他偏振特性光束的優(yōu)勢(shì)。徑向偏振光因其獨(dú)特的電磁特性在粒子俘獲、加速、光鑷和高精度顯微領(lǐng)域也得到了廣泛研究和應(yīng)用。在固體激光領(lǐng)域,晶體的應(yīng)力雙折射是限制高功率激光輸出重要限制因素因數(shù)之一,然而徑向和角向偏振光束能夠有效的消除雙折射的影響,因此采用徑向或角向偏振光束作為種子光,進(jìn)行功率放大,是提高固體激光輸出功率和光束質(zhì)量的可行方案。
[0003]研究人員提出了很多產(chǎn)生徑向偏振光束的方法,諸如在激光諧振腔內(nèi)直接添加特殊光學(xué)元器件產(chǎn)生徑向偏振光,在諧振腔外加入如螺旋相位板、組合波片等方法。但是這些方法都要昂貴的光學(xué)元件。2003年以色列M.1non等人提出利用晶體應(yīng)力雙折射對(duì)徑向和角向偏振光束的焦距不同進(jìn)行選模的方法(M.1non, J.Steven, Μ.Avi Production of radially or azimuthally polarized beams in solid statelasers and the elimination of thermally induced birefringende effects, OpticsLetters2003, 28(10):807-809)D國內(nèi)也有關(guān)于利用該方法產(chǎn)生徑向偏振光束的報(bào)道,如“于益等人,基于熱致雙焦點(diǎn)選模的徑向、切向偏振激光器,2010,中國激光”。正如M.1non和于益等人的實(shí)驗(yàn)表明,現(xiàn)有的輸出徑向或角向偏振光激光器的輸出功率對(duì)泵浦功率非常敏感。即使采用特殊的腔型設(shè)計(jì)(中國專利“一種新型柱對(duì)稱偏振激光器”,申請(qǐng)?zhí)?200710144054.5)也只能在一定程度上減弱泵浦變化對(duì)激光輸出偏振特性和功率的影響。
S.R.Michelle等人報(bào)道了一種采用特殊材料補(bǔ)償泵浦光變化對(duì)激光輸出偏振影響的方法,但是這種方法增加了設(shè)計(jì)諧振腔的難度,增加了諧振腔內(nèi)的損耗,無法高效率地獲得徑向偏振光輸出(Opt.Lett.2005,30(13): 1665-1667)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]現(xiàn)有的利用晶體熱致雙焦點(diǎn)產(chǎn)生徑向或角向偏振的激光裝置,在泵浦功率發(fā)生變化時(shí)輸出光束偏振特性或功率發(fā)生較大變化,本發(fā)明旨在消除泵浦功率變化對(duì)輸出光束偏振特性和功率的影響。
[0005]為了達(dá)到以上目的,本發(fā)明提出了一種采用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)穩(wěn)定徑向或角向偏振光束模體積,從而起到實(shí)時(shí)消除泵浦功率變化對(duì)輸出光束偏振特性和功率影響的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的軸對(duì)稱偏振固體激光器。
[0006]一種帶有自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的軸對(duì)稱偏振固體激光器,包括:變形反射鏡、擴(kuò)束器、單晶泵浦模組、輸出耦合鏡、線偏振平行光束、狹縫、線狀光束焦距測(cè)量組件以及控制變形反射鏡面形的控制組件;
[0007]所述的變形反射鏡、擴(kuò)束器、單晶泵浦模組和輸出耦合鏡組成一種特殊的光學(xué)諧振腔,該諧振腔利用單晶泵浦模組對(duì)角向或徑向偏振光聚焦強(qiáng)度的不同,獲得徑向或角向偏振光束輸出;
[0008]所述的線偏振平行光束依次穿過單晶泵浦模組、狹縫,入射線狀光束焦距測(cè)量組件;當(dāng)輸出徑向偏振光束時(shí),狹縫與線偏振光束偏振方向平行,當(dāng)輸出角向偏振光束時(shí),狹縫與線偏振光束偏振方向垂直;
[0009]所述的線狀光束焦距測(cè)量組件與控制變形反射鏡面形的控制組件相連;控制變形反射鏡面形的控制組件和變形反射鏡相連,通過調(diào)節(jié)變形反射鏡的曲率半徑穩(wěn)定徑向和角向偏振光束的模體積,從而達(dá)到穩(wěn)定輸出功率和偏振特性的目的。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1本發(fā)明光路示意圖;
[0011]圖2 —種典型的Nd: YAG泵浦模組橫截面圖;
[0012]圖3M.1non等人的半共焦選模諧振腔;
[0013]圖4諧振腔內(nèi)徑向和角向偏振光束半徑;
[0014]圖5隨著熱透鏡效應(yīng)的擾動(dòng)輸出耦合鏡上光束半徑的變化;
[0015]圖6本發(fā)明裝置中輸出耦合鏡上光束半徑的變化。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)一步說明。
[0017]一種帶有自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的軸對(duì)稱偏振固體激光器如圖1所示,本實(shí)施實(shí)例中包括:雙壓電片變形反射鏡(1)、5倍擴(kuò)束器(2)、第一分光鏡(3)、Nd = YAG泵浦模組(4)、第二分光鏡(5)、輸出耦合鏡(6)、650nm線偏振平行光束(7)、狹縫(8)、線狀光束焦距測(cè)量組件
(9)以及變形反射鏡面形控制組件(10)。
[0018]圖2給出了一種典型的Nd = YAG泵浦模組橫截面圖。徑向和角向偏振光束在晶體中的折射率不同,從理論上可以求得角向和徑向偏振光焦距之匕/%=1.2。M.1non等人正是利用徑向和角向偏振光束焦距不同進(jìn)行選模的,輸出徑向偏振光的原理是通過合適的諧振腔設(shè)計(jì)使徑向偏振光處于介穩(wěn)腔,而角向偏振光處于高衍射損耗的狀態(tài)。依據(jù)上述設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)的典型腔型如圖3所示,Nd:YAG泵浦模組貼近高反鏡(rear mirror),輸出耦合鏡(front mirror)與激光棒距離約等于徑向偏振光束的焦距,輸出I禹合鏡前還有一個(gè)限模光闌。假設(shè)激光棒的口徑約為0.5毫米,f,=350mm。在本實(shí)施實(shí)例中腔長為350mm。從激光棒左側(cè)到輸出I禹合鏡,徑向偏振光束和角向偏振光束半徑如圖4所75,由于光闌的作用角向偏振光束會(huì)在模式競爭中失敗,徑向偏振光束勝出,實(shí)現(xiàn)徑向偏振光束輸出。
[0019]然而當(dāng)熱透鏡效應(yīng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí),徑向偏振光束和角向偏振光束焦距會(huì)發(fā)生變化,光束半徑隨著熱透鏡變化而發(fā)生改變,我們仿真了 fr=350mm±35mm,= 1.2fr時(shí)輸出耦合鏡上光束半徑的變化情況。
[0020]從圖5可以看出隨著仁從350mm逐漸減小到315mm過程中,徑向偏振光束半徑逐漸增大,而角向偏振光束半徑逐漸減小,諧振腔鑒別徑向偏振光和角向偏振光的能力逐漸喪失了。f;從350_逐漸增加到385毫米過程中,徑向偏振光束和徑向偏振光束半徑逐漸增大,輸出鏡前光闌效應(yīng),輸出功率會(huì)降低。
[0021]本實(shí)施實(shí)例目的是輸出功率穩(wěn)定的徑向偏振光束,首先要測(cè)量Nd:YAG泵浦模組
(4)對(duì)徑向偏振光束焦距,測(cè)量原理和方法如下,使用650nm線偏振光束(7 )穿過Nd: YAG激光模組,由于Nd: YAG單晶的熱致退偏效應(yīng),輸出的650nm光束不再是線偏振態(tài)了,退偏后的光束穿過狹縫(8)進(jìn)入線狀光束焦距測(cè)量組件(9)完成焦距測(cè)量。如果狹縫(8)和650nm線偏振平行光束(7)偏振方向平行,光束焦距測(cè)量組件(9)測(cè)量的是Nd:YAG泵浦模組(4)徑向偏振光束焦距;如果垂直,光束焦距測(cè)量組件(9)測(cè)量的是角向偏振光束焦距。
[0022]線狀光束焦距測(cè)量組件(9)的原理是測(cè)量經(jīng)過狹縫(8)光束最小焦點(diǎn)到Nd:YAG泵浦模組(4)端面的距離,包括相機(jī)和電動(dòng)平移臺(tái)。
[0023]泵浦電流為16.5A時(shí),徑向偏振光焦距為f, = 350mm, NdiYAG泵浦模組(4)到輸出耦合鏡的距離為350mm。激光器開機(jī)工作后,由于泵浦功率的不穩(wěn)定和部分泵浦能量以激光的形式提取出來,此時(shí)熱透鏡焦距的變化率Afr/f;在±10%之內(nèi),Λ?;為徑向偏振光束焦距的變化量。為了保證輸出光束為徑向偏振光,只需要改變變形鏡面型保證徑向偏振光束焦距不變,在本實(shí)施實(shí)例中,變形鏡與Nd: YAG泵浦模組(4)處于共軛位置,將變形鏡看做薄透鏡,變形鏡和Nd: YAG泵浦模組(4 )相當(dāng)于密接透鏡,有密接透鏡公式:
【權(quán)利要求】
1.一種帶有自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的軸對(duì)稱偏振固體激光器,包括:變形反射鏡(I)、擴(kuò)束器(2)、第一分光鏡(3)、單晶泵浦模組(4)、第二分光鏡(5)、輸出稱合鏡(6)、線偏振平行光束(7)、狹縫(8)、線狀光束焦距測(cè)量組件(9)以及變形反射鏡面形控制組件(10),其特征在于: 所述的變形反射鏡(I)、擴(kuò)束器(2)、單晶泵浦模組(3)和輸出耦合鏡組成(6) —光學(xué)諧振腔,該諧振腔利用單晶泵浦模組對(duì)角向或徑向偏振光聚焦強(qiáng)度的不同,獲得徑向或角向偏振光束輸出; 所述的線偏振平行光束(7)依次穿過單晶泵浦模組(4)、狹縫(8),入射線狀光束焦距測(cè)量組件(9); 所述的線狀光束焦距測(cè)量組件(9)與變形反射鏡面形控制組件(10)相連,變形反射鏡面形控制組件(10)和變形反射鏡(I)相連,通過調(diào)節(jié)變形反射鏡(I)的曲率半徑補(bǔ)償單晶泵浦模組(4)的熱透鏡變化,從而達(dá)到穩(wěn)定輸出功率和偏振特性的目的。
2.如權(quán)利要求1所述激光器,其特征在于,所述的狹縫(8)和線偏振光束(7)的偏振方向平行時(shí),軸對(duì)稱偏振固體激光器用于獲得徑向偏振光束;垂直時(shí),所述的軸對(duì)稱偏振固體激光用于獲得角向偏振光束。
3.如權(quán)利要求1所述激光器,其特征在于,所述的線偏振光束(7)口徑應(yīng)大于單晶泵浦模組(4)的通光口徑。
4.如權(quán)利要求1所述激光器,其特征在于,所述的線狀光束焦距測(cè)量組件(9)能夠測(cè)量線狀光束的焦距。
【文檔編號(hào)】H01S3/08GK103887689SQ201410122719
【公開日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月28日
【發(fā)明者】晏虎, 何星, 王帥, 楊平, 許冰 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所