基于圆锥形单轴晶体输出径向偏振光束的激光器的制作方法与工艺

本发明涉及激光器，尤其涉及一种基于圆锥形单轴晶体输出径向偏振光束的激光器。

背景技术：
径向偏振光束是一种矢量偏振光束，其光强和偏振方向都具有轴对称性而且任意点处的偏振方向都沿半径方向。径向偏振光束因其所具有的一系列独特的性质，在高分辨率成像、激光光摄、生物医学、电子加速、材料加工等领域都有着广泛的应用前景。目前产生径向偏振光束主要有两种方法。一种方法是在激光腔外被动的将线偏振光或其他形式的偏振光转换成径向偏振光。这类方法主要有干涉叠加法、波片空间变换延迟法、螺旋渐变相位延迟器或液晶偏振转换法等。但这些腔外转换法普遍存在着光束质量差、转换效率低、装置复杂等缺陷。因此，近年来直接使激光器输出径向偏振光束的主动法是相关国际研究的一个热点。授权公告号为CN101465512B的中国发明专利申请公开了一种利用Nd:YAG晶体中的热致双折射效应，采取特殊非对称的谐振腔设计抑制其中一种偏振光的起振，实现径向偏振或切向偏振激光输出。但这种基于晶体热效应选模的激光谐振腔稳定性不高，而且只能在特定的功率区间内实现选模，激光的输出功率会受到很大的限制。授权公告号为CN202333432的中国专利申请公开了利用轴对称偏振谐振腔镜使激光器输出轴对称偏振光束激光的方法，这种利用光栅镜选模的方法国际上也有很多的报道。但可以实现对径向偏振光选模的光栅镜的制造工艺比较复杂，成本很高，目前还没有相关的国产化产品。

技术实现要素：
本发明旨在克服上述技术的不足，提供一种输出径向偏振的激光器。该激光器具有装置结构简单，系统稳定性好，激光效率高，输出功率高，光束质量好等特点。本发明的技术解决方案如下：一种基于圆锥形单轴晶体输出径向偏振光束的激光器，特点在于其构成包括：单轴晶体圆锥反射镜、激光增益介质、平面输出耦合镜和泵浦源，所述的激光增益介质位于所述的单轴晶体圆锥反射镜的底面和平面输出耦合镜之间，所述的单轴晶体圆锥反射镜的顶角式中no和ne分别为制成所述的单轴晶体圆锥反射镜的单轴晶体的e光和o光的主轴折射率，所述的单轴晶体的no和ne应满足下列条件：所述的用于制作单轴晶体圆锥反射镜的材料既可以是负单轴晶体，也可以是正单轴晶体。所述的激光增益介质为气体激光介质、激光晶体、激光陶瓷、纤芯掺有稀土激活粒子的单包层光纤或双包层光纤。所述的平面输出耦合镜为部分反射部分透射的平面镜。所述的泵浦源为灯泵浦源、激光泵浦源、电泵浦源或半导体激光器泵浦源。本发明原理如下：当一束单色光从单轴晶体内部入射到单轴晶体与空气的分界面上时会产生两束线偏振光的反射光，而且它们的振动方向相互垂直，这就是双反射现象。这两束偏振方向相互垂直的线偏振光就是o光（寻常光）和e光（异常光），o光在单轴晶体中的传播路径与光线在各向同性介质（比如玻璃）传播路径一致，而e光的传播路径则会发生偏折。对于单轴晶体材料加工成的顶角为α，光轴垂直于圆锥底面的圆锥反射镜，垂直于圆锥反射镜底面入射的光会被分解成o光和e光，可以通过合理的控制圆锥顶角α的大小，使得e光经过在圆锥面上的两次全反射后仍平行于入射光方向返回，而o光的出射方向则不能保持与入射方向平行。因此，这种经过特殊设计的单轴晶体材料做成的圆锥反射镜与平面输出耦合镜所构成的激光谐振腔，可以把o光损耗掉，使e光形成激光振荡，从而实现径向偏振的激光输出。本发明具有以下优点：1、本激光器对增益介质无特殊的要求。既可以做成气体激光器，也可以做成固体或光纤激光器。2、本激光器中，单轴晶体圆锥反射镜与平面输出耦合镜构成的谐振腔可以等效成平平腔结构，可以实现高光束质量的激光输出。3、在本激光器中，腔内、腔外都未引入其他额外的选模元件、结构简单紧凑、可实现性强、工作效率高。4、在本激光器中可以方便地引入调Q或锁模元件，实现高峰值功率脉冲运转。附图说明图1为本发明输出径向偏振光束激光器的结构示意图。图2为负单轴晶体中e光折射率大小随其光轴之间夹角大小的变化示意图。图3为负单轴晶体圆锥反射镜的双反射示意图。图4为径向偏振光束的偏振分布示意图，其中箭头标示为偏振方向。具体实施方式如图1所示，一种基于圆锥形单轴晶体输出径向偏振光束的激光器，其构成包括：单轴晶体圆锥反射镜1、激光增益介质2、平面输出耦合镜3和泵浦源4，所述的激光增益介质2位于所述的单轴晶体圆锥反射镜1的底面和平面输出耦合镜3之间，所述的单轴晶体圆锥反射镜1的顶角式中no和ne分别为制成所述的单轴晶体圆锥反射镜1的单轴晶体的e光和o光的主轴折射率，所述的单轴晶体的no和ne应满足下列条件：腔内箭头标识激光腔的谐振回路，平面输出耦合镜3右侧箭头标识激光器输出切向偏振激光光束方向。若e光的波法线方向与单轴晶体的光轴夹角为θ，则e光在单轴晶体中传播时所对应的折射率其中，no和ne是单轴晶体的两个主轴折射率。以负单轴晶体为例，e光的折射率大小随其与光轴夹角θ变化如图2所示。同样以负单轴晶体为例，单轴晶体圆锥反射镜的双反射如图3所示。其中，为圆锥的半顶角，θ1为e光和o光的共同的入射角，θ2为e光的反射角。要使e光经过圆锥分界面的两次全反射后平行于入射光方向返回，则θ1+θ2=90°（ii）由图3中的各角之间的几何关系可知根据反射定律可知ne(0°)sin(θ1)=ne(90°)sin(θ2)（iv）综合以上各式，可确定圆锥顶角另外，要想单轴晶体圆锥反射镜用于激光谐振腔镜，垂直于圆锥底面入射的e光在圆锥面上应该满足全反射条件：综合（i）、（iii）、（v）和（vi），可得单轴晶体的两个主轴折射率no和ne应满足的条件：所述的单轴晶体圆锥反射镜1是本发明的关键器件，用于将o光和e光分离。所述的单轴晶体圆锥反射镜的顶角所述的单轴晶体圆锥反射镜1光轴方向垂直于圆锥反射镜的底面。以光轴负单轴晶体为例，单轴晶体圆锥反射镜的工作原理图3所示。所述的用于制作单轴晶体圆锥反射镜1的材料既可以是负单轴晶体，也可以是正单轴晶体。所述的单轴晶体在振荡光波波长处的两个主轴折射率no和ne应满足所述的激光增益介质2可以是气体激光介质、激光晶体、激光陶瓷、纤芯掺有稀土激活粒子的单包层或双包层光纤。所述的平面输出耦合镜3为部分反射部分透射的平面镜，用于将产生的径向偏振光部分的耦合输出，其反射率可以根据激光器的输出要求进行镀膜设计。所述的泵浦源4为激光器提供能量使增益介质2激发跃迁形成激光。所述的泵浦源可以有多种实现形式，比如灯泵浦，激光泵浦，电泵浦，LD（半导体激光器）泵浦等。