一種用于產生徑向偏振激光的諧振腔結構的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于激光及光學【技術領域】，具體涉及一種用于產生徑向偏振激光的諧振腔結構。它包括尾鏡、第一等效1/2波片、第二等效1/2波片、窗口鏡和三段增益區(qū)，所述三段增益區(qū)通過第一等效1/2波片和第二等效1/2波片空間折疊串接在一起形成完整的諧振腔光程，所述尾鏡和窗口鏡分別位于諧振腔光程的首尾兩端，三段增益區(qū)所在諧振腔光程的光軸相互平行，第一等效1/2波片的光軸與第二等效1/2波片的光軸之間的夾角為45度。本發(fā)明通過尾鏡將腔內光束的起始偏振態(tài)確定為角向偏振，然后利用偏振鏡將多個增益區(qū)串接，從而直接得到徑向偏振激光的輸出，該諧振腔沒有任何外部轉換光學器件，結構簡單，易于實現(xiàn)。
【專利說明】一種用于產生徑向偏振激光的諧振腔結構

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于激光及光學【技術領域】，具體涉及一種用于產生徑向偏振激光的諧振腔結構。

【背景技術】
[0002]近來，隨著全息、相干、光譜、光化學和加速器等技術的發(fā)展，對一些特殊的軸對稱偏振激光如徑向偏振激光的需求越來越大。另外，在激光加工中，尤其是在激光切割加工中，為保證線偏振(S-偏振或P-偏振)激光在不同加工方向上加工質量的均勻一致性，通常需將線偏振激光轉轉成圓偏振激光后再去進行加工，但該方法比較復雜，為此尋求一種既沒有方向選擇性，又具有比圓偏振激光更高的材料吸收率的激光源，就是激光加工產業(yè)界所追求的目標，而徑向偏振激光正是具有這樣特性的激光源。
[0003]目前用于直接產生軸對稱徑向偏振激光輸出的方法有兩種:
[0004]一是通過在激光器的諧振腔內引入具有偏振選擇特性的光學元件，如采用具有徑向偏振選擇特性的光柵鏡作為激光器的尾鏡，來直接產生徑向偏振激光輸出。但光柵鏡結構復雜，制作比較困難，而且在大功率工作條件下其使用壽命也難以得到保證。
[0005]二是首先得到線偏振激光或角向偏振激光輸出，然后采用腔外光學系統(tǒng)來進行偏振態(tài)的轉換，從而得到徑向偏振激光。對激光器通常所產生的線偏振激光，在腔外采用旋波片光學元件，將線偏振光束轉變?yōu)閺较蚱窆馐裥ㄆ@樣特殊的光學元件結構非常復雜，其制作也十分困難。


【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的就是為了解決上述【背景技術】存在的不足，提供一種結構更為簡單且易于實現(xiàn)的用于產生徑向偏振激光的諧振腔結構。
[0007]本發(fā)明采用的技術方案是:一種用于產生徑向偏振激光的諧振腔結構，包括尾鏡、第一等效1/2波片、第二等效1/2波片、窗口鏡和三段增益區(qū)，所述三段增益區(qū)分別為第一增益區(qū)、第二增益區(qū)和第三增益區(qū)；所述第一等效1/2波片將第一增益區(qū)所在諧振腔光程的尾端光軸與第二增益區(qū)所在諧振腔光程的首端光軸串接在一起；所述第二等效1/2波片將第二增益區(qū)所在諧振腔光程的尾端光軸與第三增益區(qū)所在諧振腔光程的首端光軸串接在一起，形成完整的諧振腔光程；所述尾鏡和窗口鏡分別位于諧振腔光程的首尾兩端，所述三段增益區(qū)所在諧振腔光程的光軸相互平行，第一等效1/2波片的光軸與第二等效1/2波片的光軸之間的夾角為45度。
[0008]尾鏡用來將諧振腔內的起始偏振態(tài)確定為角向偏振，通過等效1/2波片串接的相鄰兩個光軸形成兩個夾角為45度的相交平面，這就意味著兩個等效1/2波片的光軸之間的夾角也剛好為45度。在這種情況下，當光束依次通過這兩個光軸交叉45度的等效1/2波片后，該入射光束的偏振方向剛好旋轉90度，由于入射光束為角向偏振,那么通過此變換后就變成了徑向偏振，此偏振態(tài)的部分光束經窗口鏡輸出后，偏振方向保持不變，輸出的激光束即為徑向偏振激光。
[0009]進一步地，所述尾鏡和窗口鏡分別位于第一增益區(qū)所在諧振腔光程的首端和第三增益區(qū)所在諧振腔光程的尾端。
[0010]進一步地，所述第一等效1/2波片包括具有高反射率和1/4波片相位延遲特性的兩個偏振鏡，兩個偏振鏡分別位于第一增益區(qū)所在諧振腔光程的尾端和第二增益區(qū)所在諧振腔光程的首端，兩個偏振鏡按入射光束與各自法線呈45度角位置放置。
[0011]進一步地，所述第二等效1/2波片包括具有高反射率和1/4波片相位延遲特性的兩個偏振鏡，兩個偏振鏡分別位于第二增益區(qū)所在諧振腔光程的尾端和第三增益區(qū)所在諧振腔光程的首端，兩個偏振鏡按入射光束與各自法線呈45度角位置放置。
[0012]四個具有1/4波片相位延遲特性的高反射率偏振鏡，均按入射光束與各自法線成45度入射角位置放置，在實現(xiàn)增益長度串接的同時，兩個一組剛好形成了兩個等效1/2波片，均可使得通過它的光束的偏振方向發(fā)生旋轉。
[0013]進一步地，所述尾鏡為與輸出激光波長相匹配的光柵鏡。
[0014]更進一步地，所述尾鏡為錐角是90度的內錐鏡。
[0015]當尾鏡具有角向偏振選擇特性時，通過上述技術方案，就可以直接得到徑向偏振激光輸出，這對于大幅提高激光切割加工的速度或效率具有十分重大的經濟價值，也用于粒子加速器等研究，具有重大的科學意義。由于金屬反射鏡或金屬內錐鏡一般對S-偏振的反射率要高于對P-偏振的反射率，采用錐角為90度的內錐尾鏡時可以很容易實現(xiàn)角向偏振選擇。
[0016]本發(fā)明通過尾鏡將腔內光束的起始偏振態(tài)確定為角向偏振,然后利用具有相位延遲特性的偏振鏡將多個增益區(qū)串接，在實現(xiàn)增益長度串接的同時，又實現(xiàn)了偏振方向的旋轉變換，從而直接得到徑向偏振激光的輸出。該諧振腔沒有任何外部轉換光學器件，結構簡單，易于實現(xiàn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明的結構示意圖。
[0018]圖2為本發(fā)明另一視角的結構示意圖。
[0019]圖3為本發(fā)明的端面示意圖。
[0020]圖4為本發(fā)明偏振鏡2和3組成的等效1/2波片17的示意圖。
[0021]圖5為本發(fā)明偏振鏡4和5組成的等效1/2波片18的示意圖。
[0022]圖6為本發(fā)明由4個偏振鏡所形成的兩個等效1/2波片光軸交叉45度的結構示意圖。
[0023]圖7為本發(fā)明兩個等效1/2波片的光軸交叉45度進行軸對稱偏振轉換的示意圖。
[0024]圖8為本發(fā)明兩個等效1/2波片的光軸交叉45度進行軸對稱偏振方向正交轉換的原理圖。

【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明，便于清楚地了解本發(fā)明，但它們不對本發(fā)明構成限定。
[0026]如圖1所示，本發(fā)明的軸對稱偏振激光諧振腔結構，由具有軸對稱偏振(角向偏振或者徑向偏振)選擇特性的高反射率尾鏡1、具有1/4波片相位延遲特性的高反射率偏振鏡2、3、4、5和具有部分反射部分透射特性的輸出窗口鏡6、以及相互平行的三段增益區(qū)組成。其中，三段增益區(qū)分別為第一增益區(qū)7、第二增益區(qū)8和第三增益區(qū)9，其各自所在光程的光軸分別為10、11、12，光軸10、11、12相互平行。具有高反射率的偏振鏡2、3、4、5的入射光束和反射光束與其相應法線之間的夾角均為45度，并將第一增益區(qū)7、第二增益區(qū)8和第三增益區(qū)9所在的諧振腔光程有效地串接在一起形成完整的諧振腔光程，尾鏡I和窗口鏡6分別位于諧振腔光程的首尾兩端，且其各自的中軸線分別與其所在的諧振腔光程的光軸同軸，尾鏡I和窗口鏡6的位置可以互換，效果相同，只是輸出激光的位置和方向發(fā)生改變。具體的串接方式為:偏振鏡2和3組成的第一等效1/2波片17將第一增益區(qū)7所在諧振腔光程的尾端光軸與第二增益區(qū)8所在諧振腔光程的首端光軸串接在一起；偏振鏡4和5組成的第二等效1/2波片18將第二增益區(qū)8所在諧振腔光程的尾端光軸與第三增益區(qū)9所在諧振腔光程的首端光軸串接在一起，形成完整的諧振腔光程；即偏振鏡2和3分別位于第一增益區(qū)7所在諧振腔光程的尾端和第二增益區(qū)8所在諧振腔光程的首端，偏振鏡4和5分別位于第二增益區(qū)8所在諧振腔光程的尾端和第三增益區(qū)9所在諧振腔光程的首端，尾鏡I和窗口鏡6分別位于第一增益區(qū)7所在諧振腔光程的首端和第三增益區(qū)9所在諧振腔光程的尾端，組成一個空間多折的激光諧振腔。激光在該諧振腔內振蕩，并在第一增益區(qū)
7、第二增益區(qū)8和第三增益區(qū)9中得到放大，然后部分激光通過窗口鏡6透射出去形成輸出激光13。三段增益區(qū)中的介質可以為各種激光增益材料，其截面密度分布具有軸對稱均勻性。
[0027]如圖2所示，本發(fā)明軸對稱偏振激光諧振腔結構中，尾鏡I用來將腔內起始偏振態(tài)確定為角向偏振，具有1/4波片相位延遲特性的高反射率偏偏振鏡2和3的入射光束和反射光束與其各自法線均成45度放置在一起形成第一等效1/2波片，可將通過該波片的光束的偏振方向旋轉一定的角度。同理，具有1/4波片相位延遲特性的高反射率偏振鏡4和5形成第二等效1/2波片，也將產生同樣的偏振方向旋轉效果。等效二分之一波片，除可以用上面提到的兩個具有1/4波片相位延遲特性的偏振鏡組成外，還可以用多片1/8波片或其他波片組合而成。
[0028]如圖2、3所示，在本發(fā)明的“ Z ”形空間多折激光諧振腔中，通過偏振鏡2和3串接的光軸10和11所形成的平面15與通過偏振鏡4和5串接的光軸11和12所形成的平面16相交于光軸11，兩個平面呈“Z”形分布，并且這兩個平面之間的夾角14為45度。這就意味著偏振鏡2和3組成的第一等效1/2波片與偏振鏡4和5組成的第二等效1/2波片的光軸之間的夾角剛好為45度。在這種情況下，當光束依次通過這兩個光軸交叉45度的等效1/2波片后,該入射光束的偏振方向剛好旋轉90度，由于入射光束為角向偏振，那么通過此變換后就變成了徑向偏振，此偏振態(tài)的部分光束經窗口鏡6輸出后，偏振方向保持不變，即輸出的激光束即為徑向偏振特性。
[0029]如圖4所示，具有1/4波片相位延遲特性的偏振鏡2和3，當分別按入射角與其法線2'和3'成45度位置放置時，即構成了一個反射式倒行的第一等效1/2波片17。當入射光束19通過該波片后，出射光束20的偏振方向會發(fā)生一定角度的旋轉。
[0030]同理，如圖5所示，當入射光束20通過由具有1/4波片相位延遲特性的偏振鏡4和5(其法線分別為4'和5')構成的第二等效1/2波片18后，出射光束21的偏振方向也將發(fā)生一定角度的旋轉。
[0031]如圖6所示，圖4中的第一等效1/2波片17的光軸所在平面15由光軸10和11所確定，偏振鏡2和3的法線2'和3'也落在該平面15上。同理，圖5中的第二等效1/2波片18的光軸所在平面16由光軸11和12所確定，偏振鏡4和5的法線4'和5'也落在該平面16上，平面15和平面16之間的夾角14為45度。
[0032]圖7為圖6系統(tǒng)的等效不意圖。當光束19 (其圖不偏振態(tài)為角向偏振19')通過第一等效1/2波片17后，相應出射光束20的偏振方向即發(fā)生一定角度的旋轉。同理，當光束20再通過第二等效1/2波片18后，相應出射光束21的偏振方向也會發(fā)生一定角度的旋轉。由于第一等效1/2波片17和第二等效1/2波片18的光軸17'和18'之間的夾角14剛好為45度，這就意味著:當光束19依次通過這樣空間放置的第一等效1/2波片17和第二等效1/2波片18后，其出射光束20的偏振方向剛好旋轉了 90度，即其偏振方向由角向偏振18'變成了徑向偏振20'。同理分析，上述偏振方向的轉換過程是可逆的，如經窗口鏡部分反射回腔內的徑向偏振光束，再次經過該系統(tǒng)后，又將還原為角向偏振光束。
[0033]圖8為兩個光軸夾角為45度的1/2波片進行角向偏振和徑向偏振相互轉換的原理圖。在xoy坐標系中，首先選擇第一等效1/2波片17的光軸17'與y軸平行，當入射光束截面上任意一點A處的偏振方向為角向偏振E Φ、且與第一等效1/2波片17的光軸17'之間的夾角為α時，通過第一等效1/2波片17后，其偏振方向即發(fā)生2 α角度的旋轉而變?yōu)棣?，Ε'與光軸17'之間的夾角即為α。同理，當E'再通過第二等效1/2波片18后，其偏振方向也將發(fā)生2 Θ角度的旋轉而變?yōu)?，這里，Θ為Ef與第二等效1/2波片18的光軸18'之間的夾角；那么，第一等效1/2波片17和第二等效1/2波片18的光軸17'和18'之間的夾角即為(α + θ)?？梢姡肷涔馐来谓涍^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與入射光束的偏振方向之間的旋轉角度共為2 ( α + Θ )。顯然，當第一等效1/2波片17和第二等效1/2波片18的光軸17'和18'之間的夾角(α + θ)選定為45度時，與之間剛好發(fā)生了 90度的旋轉，此即角向偏振E Φ的入射光束變成了徑向偏振Er的出射光束。同理，軸對稱偏振(角向或徑向)光束經過光軸交叉45度放置的等效1/2波片的偏振態(tài)的轉換過程是互逆的，即當尾鏡選擇的起始偏振態(tài)為徑向偏振時，該諧振腔也可輸出角向偏振激光。
[0034]本說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業(yè)技術人員公知的現(xiàn)有技術。
【權利要求】
1.一種用于產生徑向偏振激光的諧振腔結構，其特征在于:包括尾鏡(I)、第一等效1/2波片、第二等效1/2波片、窗口鏡(6)和三段增益區(qū)；所述三段增益區(qū)分別為第一增益區(qū)(7)、第二增益區(qū)(8)和第三增益區(qū)(9)，所述第一等效1/2波片將第一增益區(qū)(7)所在諧振腔光程的尾端光軸與第二增益區(qū)(8)所在諧振腔光程的首端光軸串接在一起；所述第二等效1/2波片將第二增益區(qū)(8)所在諧振腔光程的尾端光軸與第三增益區(qū)(9)所在諧振腔光程的首端光軸串接在一起，形成完整的諧振腔光程；所述尾鏡和窗口鏡分別位于諧振腔光程的首尾兩端，所述三段增益區(qū)所在諧振腔光程的光軸相互平行，第一等效1/2波片的光軸與第二等效1/2波片的光軸之間的夾角為45度。
2.根據權利要求1所述的一種用于產生徑向偏振激光的諧振腔結構，其特征在于:所述尾鏡⑴和窗口鏡⑶分別位于第一增益區(qū)(7)所在諧振腔光程的首端和第三增益區(qū)(9)所在諧振腔光程的尾端。
3.根據權利要求1所述的一種用于產生徑向偏振激光的諧振腔結構，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波片相位延遲特性的兩個偏振鏡，兩個偏振鏡分別位于第一增益區(qū)所在諧振腔光程的尾端和第二增益區(qū)所在諧振腔光程的首端，兩個偏振鏡按入射光束與各自法線呈45度角位置放置。
4.根據權利要求1所述的一種用于產生徑向偏振激光的諧振腔結構，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波片相位延遲特性的兩個偏振鏡，兩個偏振鏡分別位于第二增益區(qū)所在諧振腔光程的尾端和第三增益區(qū)所在諧振腔光程的首端，兩個偏振鏡按入射光束與各自法線呈45度角位置放置。
5.根據權利要求1-4中任一所述的一種用于產生徑向偏振激光的諧振腔結構,其特征在于:所述尾鏡為與輸出激光波長相匹配的光柵鏡。
6.根據權利要求1-4中任一所述的一種用于產生徑向偏振激光的諧振腔結構,其特征在于:所述尾鏡為錐角是90度的內錐鏡。
【文檔編號】H01S3/081GK104319608SQ201410489944
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年9月23日 優(yōu)先權日:2014年9月23日
【發(fā)明者】王又青, 李波, 楊揚, 趙江, 賀昌玉 申請人:武漢博問光電有限公司