一種用于產(chǎn)生徑向偏振激光的諧振腔結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本實用新型屬于激光及光學【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種用于產(chǎn)生徑向偏振激光的諧振腔結(jié)構(gòu)。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。本實用新型通過尾鏡將腔內(nèi)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(zhuǎn)換光學器件，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。
【專利說明】一種用于產(chǎn)生徑向偏振激光的諧振腔結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于激光及光學【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種用于產(chǎn)生徑向偏振激光的諧振腔結(jié)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002]近來，隨著全息、相干、光譜、光化學和加速器等技術(shù)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(zhì)量的均勻一致性，通常需將線偏振激光轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)成圓偏振激光后再去進行加工，但該方法比較復(fù)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)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(chǎn)生徑向偏振激光輸出。但光柵鏡結(jié)構(gòu)復(fù)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(zhuǎn)換，從而得到徑向偏振激光。對激光器通常所產(chǎn)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(zhuǎn)變?yōu)閺较蚱窆馐?，但像旋波片這樣特殊的光學元件結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，其制作也十分困難。
實用新型內(nèi)容
[0006]本實用新型的目的就是為了解決上述【背景技術(shù)】存在的不足，提供一種結(jié)構(gòu)更為簡單且易于實現(xiàn)的用于產(chǎn)生徑向偏振激光的諧振腔結(jié)構(gòu)。
[0007]本實用新型采用的技術(shù)方案是:一種用于產(chǎn)生徑向偏振激光的諧振腔結(jié)構(gòu)，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(nèi)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(zhuǎn)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(jīng)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(zhuǎn)。
[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(nèi)錐鏡。
[0015]當尾鏡具有角向偏振選擇特性時，通過上述技術(shù)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(jīng)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(nèi)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(nèi)錐尾鏡時可以很容易實現(xiàn)角向偏振選擇。
[0016]本實用新型通過尾鏡將腔內(nèi)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換光學器件，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2為本實用新型另一視角的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖3為本實用新型的端面示意圖。
[0020]圖4為本實用新型偏振鏡2和3組成的等效1/2波片17的示意圖。
[0021]圖5為本實用新型偏振鏡4和5組成的等效1/2波片18的示意圖。
[0022]圖6為本實用新型由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(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖7為本實用新型兩個等效1/2波片的光軸交叉45度進行軸對稱偏振轉(zhuǎn)換的示意圖。
[0024]圖8為本實用新型兩個等效1/2波片的光軸交叉45度進行軸對稱偏振方向正交轉(zhuǎn)換的原理圖。

【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步的詳細說明，便于清楚地了解本實用新型，但它們不對本實用新型構(gòu)成限定。
[0026]如圖1所示，本實用新型的軸對稱偏振激光諧振腔結(jié)構(gòu)，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(yīng)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1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1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1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(nèi)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(zhì)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，本實用新型軸對稱偏振激光諧振腔結(jié)構(gòu)中，尾鏡1用來將腔內(nèi)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(zhuǎn)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(chǎn)生同樣的偏振方向旋轉(zhuǎn)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，在本實用新型的“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(zhuǎn)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(jīng)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(gòu)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(zhuǎn)。
[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(gòu)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(zhuǎn)。
[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(yīng)出射光束20的偏振方向即發(fā)生一定角度的旋轉(zhuǎn)。同理，當光束20再通過第二等效1/2波片18后，相應(yīng)出射光束21的偏振方向也會發(fā)生一定角度的旋轉(zhuǎn)。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(zhuǎn)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(zhuǎn)換過程是可逆的，如經(jīng)窗口鏡部分反射回腔內(nèi)的徑向偏振光束，再次經(jīng)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(zhuǎn)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Ε 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(zhuǎn)而變?yōu)棣?，Ε'與光軸17'之間的夾角即為α。同理，當Ε'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(zhuǎn)而變?yōu)?，這里，Θ為Ε,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?，入射光束依次經(jīng)過第一等效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(zhuǎn)角度共為2 ( α + Θ )。顯然，當?shù)谝坏刃?/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(zhuǎn)，此即角向偏振Ε 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(jīng)過光軸交叉45度放置的等效1/2波片的偏振態(tài)的轉(zhuǎn)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(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于產(chǎn)生徑向偏振激光的諧振腔結(jié)構(gòu)，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(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于產(chǎn)生徑向偏振激光的諧振腔結(jié)構(gòu)，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(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于產(chǎn)生徑向偏振激光的諧振腔結(jié)構(gòu)，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(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于產(chǎn)生徑向偏振激光的諧振腔結(jié)構(gòu)，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(jù)權(quán)利要求1-4中任一所述的一種用于產(chǎn)生徑向偏振激光的諧振腔結(jié)構(gòu),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(jù)權(quán)利要求1-4中任一所述的一種用于產(chǎn)生徑向偏振激光的諧振腔結(jié)構(gòu),其特征在于:所述尾鏡為錐角是90度的內(nèi)錐鏡。
【文檔編號】H01S3/08GK204230621SQ201420550387
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年9月23日 優(yōu)先權(quán)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