一种带有自适应光学系统的轴对称偏振固体激光器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种带有自适应光学系统的轴对称偏振固体激光器，包括：变形反射镜、扩束器、单晶泵浦模组、输出耦合镜、线偏振平行光束、狭缝、线状光束焦距的测量组件以及控制变形反射镜面形的控制组件。本发明采用线偏振平行光束、狭缝和线状光束焦距测量组件实时测量单晶泵浦模组对径向或角向偏振光束的聚焦强度，通过调节变形反射镜的曲率半径稳定径向和角向偏振光束的模体积，从而达到稳定输出功率的目的。
【专利说明】一种带有自适应光学系统的轴对称偏振固体激光器
【技术领域】
[0001]本发明涉及到一种固体激光器，属于激光领域，特别是输出为轴对称偏振的固体激光器。
【背景技术】
[0002]轴对称偏振光束是指偏振态具有旋转对称特性的光束，常常指径向偏振光束和角向偏振光束(又称切向偏振光束)。轴对称偏振光束具有独特的物理特性，在许多领域有着不可替代的作用。径向偏振光束经过高数值孔径物镜聚焦后要比其他偏振态光束焦斑小，在焦斑处有着很强的纵向分量，在激光切割、加工领域有着比其他偏振特性光束的优势。径向偏振光因其独特的电磁特性在粒子俘获、加速、光镊和高精度显微领域也得到了广泛研究和应用。在固体激光领域，晶体的应力双折射是限制高功率激光输出重要限制因素因数之一，然而径向和角向偏振光束能够有效的消除双折射的影响，因此采用径向或角向偏振光束作为种子光，进行功率放大，是提高固体激光输出功率和光束质量的可行方案。
[0003]研究人员提出了很多产生径向偏振光束的方法，诸如在激光谐振腔内直接添加特殊光学元器件产生径向偏振光，在谐振腔外加入如螺旋相位板、组合波片等方法。但是这些方法都要昂贵的光学元件。2003年以色列M.1non等人提出利用晶体应力双折射对径向和角向偏振光束的焦距不同进行选模的方法(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国内也有关于利用该方法产生径向偏振光束的报道，如“于益等人，基于热致双焦点选模的径向、切向偏振激光器，2010,中国激光”。正如M.1non和于益等人的实验表明，现有的输出径向或角向偏振光激光器的输出功率对泵浦功率非常敏感。即使采用特殊的腔型设计(中国专利“一种新型柱对称偏振激光器”，申请号:200710144054.5)也只能在一定程度上减弱泵浦变化对激光输出偏振特性和功率的影响。
S.R.Michelle等人报道了一种采用特殊材料补偿泵浦光变化对激光输出偏振影响的方法，但是这种方法增加了设计谐振腔的难度，增加了谐振腔内的损耗，无法高效率地获得径向偏振光输出(Opt.Lett.2005，30(13): 1665-1667)。
【发明内容】
[0004]现有的利用晶体热致双焦点产生径向或角向偏振的激光装置，在泵浦功率发生变化时输出光束偏振特性或功率发生较大变化，本发明旨在消除泵浦功率变化对输出光束偏振特性和功率的影响。
[0005]为了达到以上目的，本发明提出了一种采用自适应光学系统稳定径向或角向偏振光束模体积，从而起到实时消除泵浦功率变化对输出光束偏振特性和功率影响的自适应光学系统的轴对称偏振固体激光器。
[0006]一种带有自适应光学系统的轴对称偏振固体激光器，包括:变形反射镜、扩束器、单晶泵浦模组、输出耦合镜、线偏振平行光束、狭缝、线状光束焦距测量组件以及控制变形反射镜面形的控制组件；
[0007]所述的变形反射镜、扩束器、单晶泵浦模组和输出耦合镜组成一种特殊的光学谐振腔，该谐振腔利用单晶泵浦模组对角向或径向偏振光聚焦强度的不同，获得径向或角向偏振光束输出；
[0008]所述的线偏振平行光束依次穿过单晶泵浦模组、狭缝，入射线状光束焦距测量组件；当输出径向偏振光束时，狭缝与线偏振光束偏振方向平行，当输出角向偏振光束时，狭缝与线偏振光束偏振方向垂直；
[0009]所述的线状光束焦距测量组件与控制变形反射镜面形的控制组件相连；控制变形反射镜面形的控制组件和变形反射镜相连，通过调节变形反射镜的曲率半径稳定径向和角向偏振光束的模体积，从而达到稳定输出功率和偏振特性的目的。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1本发明光路示意图；
[0011]图2 —种典型的Nd: YAG泵浦模组横截面图；
[0012]图3M.1non等人的半共焦选模谐振腔；
[0013]图4谐振腔内径向和角向偏振光束半径；
[0014]图5随着热透镜效应的扰动输出耦合镜上光束半径的变化；
[0015]图6本发明装置中输出耦合镜上光束半径的变化。
【具体实施方式】
[0016]下面对本发明的实施方式进一步说明。
[0017]一种带有自适应光学系统的轴对称偏振固体激光器如图1所示，本实施实例中包括:双压电片变形反射镜(1)、5倍扩束器(2)、第一分光镜(3)、Nd = YAG泵浦模组(4)、第二分光镜(5)、输出耦合镜(6)、650nm线偏振平行光束(7)、狭缝(8)、线状光束焦距测量组件
(9)以及变形反射镜面形控制组件(10)。
[0018]图2给出了一种典型的Nd = YAG泵浦模组横截面图。径向和角向偏振光束在晶体中的折射率不同，从理论上可以求得角向和径向偏振光焦距之匕/%=1.2。M.1non等人正是利用径向和角向偏振光束焦距不同进行选模的，输出径向偏振光的原理是通过合适的谐振腔设计使径向偏振光处于介稳腔，而角向偏振光处于高衍射损耗的状态。依据上述设计思想设计的典型腔型如图3所示，Nd:YAG泵浦模组贴近高反镜(rear mirror)，输出耦合镜(front mirror)与激光棒距离约等于径向偏振光束的焦距,输出I禹合镜前还有一个限模光阑。假设激光棒的口径约为0.5毫米，f,=350mm。在本实施实例中腔长为350mm。从激光棒左侧到输出I禹合镜，径向偏振光束和角向偏振光束半径如图4所75,由于光阑的作用角向偏振光束会在模式竞争中失败，径向偏振光束胜出，实现径向偏振光束输出。
[0019]然而当热透镜效应发生扰动时，径向偏振光束和角向偏振光束焦距会发生变化，光束半径随着热透镜变化而发生改变，我们仿真了 fr=350mm±35mm，= 1.2fr时输出耦合镜上光束半径的变化情况。
[0020]从图5可以看出随着仁从350mm逐渐减小到315mm过程中，径向偏振光束半径逐渐增大，而角向偏振光束半径逐渐减小，谐振腔鉴别径向偏振光和角向偏振光的能力逐渐丧失了。f；从350_逐渐增加到385毫米过程中，径向偏振光束和径向偏振光束半径逐渐增大，输出镜前光阑效应，输出功率会降低。
[0021]本实施实例目的是输出功率稳定的径向偏振光束，首先要测量Nd:YAG泵浦模组
(4)对径向偏振光束焦距，测量原理和方法如下，使用650nm线偏振光束(7 )穿过Nd: YAG激光模组，由于Nd: YAG单晶的热致退偏效应,输出的650nm光束不再是线偏振态了，退偏后的光束穿过狭缝(8)进入线状光束焦距测量组件(9)完成焦距测量。如果狭缝(8)和650nm线偏振平行光束(7)偏振方向平行，光束焦距测量组件(9)测量的是Nd:YAG泵浦模组(4)径向偏振光束焦距；如果垂直，光束焦距测量组件(9)测量的是角向偏振光束焦距。
[0022]线状光束焦距测量组件(9)的原理是测量经过狭缝(8)光束最小焦点到Nd:YAG泵浦模组(4)端面的距离，包括相机和电动平移台。
[0023]泵浦电流为16.5A时，径向偏振光焦距为f, = 350mm, NdiYAG泵浦模组(4)到输出耦合镜的距离为350mm。激光器开机工作后，由于泵浦功率的不稳定和部分泵浦能量以激光的形式提取出来，此时热透镜焦距的变化率Afr/f；在±10%之内，Λ?；为径向偏振光束焦距的变化量。为了保证输出光束为径向偏振光，只需要改变变形镜面型保证径向偏振光束焦距不变，在本实施实例中，变形镜与Nd: YAG泵浦模组(4)处于共轭位置，将变形镜看做薄透镜，变形镜和Nd: YAG泵浦模组(4 )相当于密接透镜，有密接透镜公式:
【权利要求】
1.一种带有自适应光学系统的轴对称偏振固体激光器，包括:变形反射镜(I)、扩束器(2)、第一分光镜(3)、单晶泵浦模组(4)、第二分光镜(5)、输出稱合镜(6)、线偏振平行光束(7)、狭缝(8)、线状光束焦距测量组件(9)以及变形反射镜面形控制组件(10)，其特征在于: 所述的变形反射镜(I)、扩束器(2)、单晶泵浦模组(3)和输出耦合镜组成(6) —光学谐振腔，该谐振腔利用单晶泵浦模组对角向或径向偏振光聚焦强度的不同，获得径向或角向偏振光束输出； 所述的线偏振平行光束(7)依次穿过单晶泵浦模组(4)、狭缝(8)，入射线状光束焦距测量组件(9); 所述的线状光束焦距测量组件(9)与变形反射镜面形控制组件(10)相连，变形反射镜面形控制组件(10)和变形反射镜(I)相连，通过调节变形反射镜(I)的曲率半径补偿单晶泵浦模组(4)的热透镜变化，从而达到稳定输出功率和偏振特性的目的。
2.如权利要求1所述激光器，其特征在于，所述的狭缝(8)和线偏振光束(7)的偏振方向平行时，轴对称偏振固体激光器用于获得径向偏振光束；垂直时，所述的轴对称偏振固体激光用于获得角向偏振光束。
3.如权利要求1所述激光器，其特征在于，所述的线偏振光束(7)口径应大于单晶泵浦模组(4)的通光口径。
4.如权利要求1所述激光器，其特征在于，所述的线状光束焦距测量组件(9)能够测量线状光束的焦距。
【文档编号】H01S3/08GK103887689SQ201410122719
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】晏虎, 何星, 王帅, 杨平, 许冰 申请人:中国科学院光电技术研究所