专利名称：光束偏振旋转装置及偏振旋转方法
技术领域：
本发明涉及激光系统，特别是一种用于激光系统的光束偏振旋转装置及偏振旋转方法，尤其是一种能够满足大口径、超强、超短激光系统光束偏振控制需求的光束偏振旋转
装直。
背景技术：
偏振旋转装置在激光系统中得到了广泛应用，例如，谐振腔中Q值的改变、放大链内光脉冲的捕获与释放、光束透反射的转换等。作为激光系统的核心器件之一，其在激光种子源、放大链、测试系统、激光应用系统等各种场合都发挥着不可替代的作用。目前，用于实现偏振旋转控制的主要器件是半波片。通过改变半波片快轴与入射光束偏振方向的夹角来改变出射光束的偏振方向。最常用的方式是半波片快轴与入射光束偏振方向的夹角成45度，出射光束偏振方向相比于入射光束的偏振方向改变90度。依靠半波片改变光束偏振方向虽然结构简单、调试方便，但受限于半波片本身特性，在许多应用中仍面临一些困难，例如可用口径有限，损伤阈值较低，对波长敏感，前后表面存在剩余反射等。这些都阻碍了其在激光系统，尤其是大口径、超强、超短激光系统中的应用。
发明内容
为了克服上述基于半波片的偏振控制器的上述缺点，本发明提供一种用于激光系统的光束偏振旋转装置及偏振控制方法，该装置具有易于实现大口径、高损伤阈值、高信噪t匕、宽适用带宽等特点，能满足激光系统，尤其是大口径、超强、超短激光系统光束偏振控制的需求。本发明的技术解决方案如下一种用于激光系统的光束偏振旋转装置，其特点是该装置包括第一零相移反射镜、第二零相移反射镜和第三零相移反射镜，上述元部件的位置关系如下所述的第一零相移反射镜、第二零相移反射镜和第三零相移反射镜同时垂直于第四平面，所述的第一零相移反射镜、第二零相移反射镜和第三零相移反射镜的中心构成一个等腰三角形的顶点，所述的第一零相移反射镜的反射面和第二零相移反射镜的反射面朝外且分别平分所述的等腰三角形的底角，所述的第三零相移反射镜与所述的第一零相移反射镜的中心和第二零相移反射镜的中心的连线的中垂线垂直，且第三零相移反射镜的反射面朝向所述的中心连线并与所述的中心连线平行，第三零相移反射镜的中心位于所述的中垂线上，所述的第一零相移反射镜的中心和第二零相移反射镜的中心的连线构成该装置的参考光轴。利用上述光束偏振旋转装置对激光光束的偏振方向进行旋转控制的方法，其特点在于该方法包括如下步骤①将所述偏振旋转装置置于光路中，使所述的参考光轴与系统光轴重合；②将所述偏振旋转装置作为一个整体，绕所述参考光轴旋转，使所述的第三零相移反射镜的镜面与入射光束的偏振方向平行，标记此时为O位；③将所述偏振旋转装置作为一个整体，绕所述参考光轴旋转，当所述偏振旋转装置转动一个角度Θ后，出射光束的偏振方向向相同的方向转动2Θ的角度。本发明的技术效果是I、本发明光束偏振旋转装置，利用平面全反射式器件，当入射光束沿本发明光束偏振旋转装置的参考光轴方向入射时，入射光束经第一零相移反射镜、第二零相移反射镜和第三零相移反射镜反射后输出的光束方向保持不变，当该装置绕所述的参考光轴旋转一个角度Θ后，出射光束的偏振方向向相同的方向转动2Θ的角度。在不改变输入光束方向及横向位置的前提下，可实现对光束偏振方向的任意旋转；2、本发明可实现大口径、高损伤阈值、宽带宽、无剩余反射的光束偏振旋转功能，可有效地解决激光系统、尤其是大口径、超短、超强激光系统中光束偏振的旋转控制的问 题，解决了用半波片的口径受限、损伤阈值受限、可用带宽受限、剩余反射降低信噪比等诸多问题。
图I是本发明光束偏振旋转装置示意中101-参考光轴，102-第一零相移反射镜镜面与参考光轴的夹角α，103-第一零相移反射镜，104-第一零相移反射镜和第二零相移反射镜的中心间距，105-第二零相移反射镜，106第二零相移反射镜镜面与参考光轴的夹角α，107-出射光束，108-参考坐标系Y轴，109-参考坐标系X轴，110-第二零相移反射镜的法线，111-第三零相移反射镜中心到参考光轴101的距离，112-第三零相移反射镜，113-第三零相移反射镜的法线，114-第一零相移反射镜的法线，115-入射光束，116-所述光束偏振旋转装置整体绕参考光轴101旋转的旋转标记。图2是本发明用于激光系统的光束偏振旋转装置对光束偏振方向旋转的光路示意中201-参考光轴，202-入射光偏振方向，203-入射光，204-参考坐标系Y轴，205-参考坐标系X轴，206-第三零相移反射镜法线与参考光轴Y轴夹角，207-出射光束，208-出射光束偏振方向，209-第二零相移反射镜法线，210-参考坐标系Z轴，211-第三零相移反射镜法线，212-第一零相移反射镜法线，213-所述光束偏振旋转装置整体绕参考光轴201旋转的旋转标记。
具体实施例方式下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。先请参阅图I和图2，图I是本发明光束偏振旋转装置示意图，图2是本发明利用光束偏振旋转装置对激光系统的光束偏振方向旋转的光路示意图，由图可见，本发明光束偏振旋转装置，包括第一零相移反射镜103、第二零相移反射镜105和第三零相移反射镜112，上述元部件的位置关系如下所述的第一零相移反射镜103、第二零相移反射镜105和第三零相移反射镜112同时垂直于第四平面，所述的第一零相移反射镜103、第二零相移反射镜105和第三零相移反射镜112的中心构成一个等腰三角形的顶点，所述的第一零相移反射镜103的反射面和第二零相移反射镜105的反射面朝外且分别平分所述的等腰三角形的所在的底角，所述的第三零相移反射镜112与所述的第一零相移反射镜103的中心和第二零相移反射镜105的中心的连线的中垂线垂直，且第三零相移反射镜112的反射面朝向所述的中心连线并与所述的中心连线平行，第三零相移反射镜112的中心位于所述的中垂线上，所述的第一零相移反射镜103的中心和第二零相移反射镜105的中心的连线构成该装置的参考光轴101。
利用所述的光束偏振旋转装置对激光光束的偏振方向进行旋转控制的方法，包括如下步骤①将所述偏振旋转装置置于光路中，使所述的参考光轴101与系统光轴201重合；②将所述偏振旋转装置作为一个整体，绕所述参考光轴101旋转，使所述的第三零相移反射镜112的镜面与入射光束203的偏振方向202平行，标记此时为O位；③将所述偏振旋转装置作为一个整体，绕所述参考光轴101旋转，当所述偏振旋转装置转动一个角度Θ 206后，出射光束207的偏振方向208向相同的方向转动2 Θ的角度。换一句话说，本发明光束偏振旋转装置，包括第一零相移反射镜103、第二零相移反射镜105和第三零相移反射镜112，上述三块反射镜的位置关系如下在参考光轴101的光轴方向放置两块第一零相移反射镜103、第二零相移反射镜105，使其各自中心位于参考光轴101的光轴上，并使经过第一零相移反射镜103的中心114、第二零相移反射镜105的中心110位于参考坐标Y轴108和参考坐标X轴109构成的水平面内，两块第一零相移反射镜103、第二零相移反射镜105各自的法线114、110与参考光轴101的夹角相等，两块反射镜103、105镜的反射面向外(指定两块反射镜之间为“内”)；在上述两块反射镜103、105中心连线的垂直平分线上，位于所述两块反射镜镜面朝向的一侧，放置第三零相移反射镜112，并使其中心位于所述的垂直平分线上，经过该第三零相移反射镜镜面中心的法线113与上述中分线重合，该第三零相移反射镜112镜面朝向上述前两块反射镜103、105的方向；所述第三零相移反射镜112中心到参考光轴101的间距除以所述前两块反射镜103、105中心距离104的一半所得值应与第一零相移反射镜103镜面与参考光轴101夹角102的2倍角的正切值相等。本发明的特点是I、利用三块零相移全反镜103、105、112，在不改变输入光束101方向及横向位置的前提下，实现了对输出光束偏振方向208的任意旋转；2、所述的全反射式光束偏振旋转装置可以实现大口径、高损伤阈值、宽带宽、无剩余反射的光束偏振旋转功能，其有效解决了激光系统、尤其是大口径、超短、超强激光系统中，用于实现偏振旋转的半波片的口径受限、损伤阈值受限、可用带宽受限、剩余反射降低信噪比等诸多问题。利用所述的用于激光系统的光束偏振旋转装置对激光光束的偏振方向控制的方法，特征在于包括如下步骤
①将所述偏振旋转装置置于光路中，使其参考光轴101与系统光轴201重合；②将所述偏振旋转装置作为一个整体，绕所述参考光轴101旋转，使所述第三零相移反射镜112的镜面与入射光束203的偏振方向202平行,标记此时为O位；③将所述偏振旋转装置作为一个整体，绕所述参考光轴101旋转，当所述偏振旋转装置转动一个角度Θ 206后，出射光束的偏振方向208向相同的方向转动2 Θ的角度。用三块反射镜实现光束偏振旋转的主要原理如下光束经过反射镜反射后的偏振旋转状态可用矩阵形式的反射定律描述Γ =RgI (I)式中，I为入射向量矩阵，I’为出射向量矩阵，R为反射矩阵。
权利要求
1.一种用于激光系统的光束偏振旋转装置，其特征是该装置包括第一零相移反射镜(103)、第二零相移反射镜(105)和第三零相移反射镜(112)，上述元部件的位置关系如下 所述的第一零相移反射镜(103)、第二零相移反射镜(105)和第三零相移反射镜(112)同时垂直于第四平面，所述的第一零相移反射镜(103)、第二零相移反射镜(105)和第三零相移反射镜(112)的中心构成一个等腰三角形的顶点，所述的第一零相移反射镜(103)的反射面和第二零相移反射镜(105)的反射面朝外且分别平分所述的等腰三角形的底角，所述的第三零相移反射镜(112)与所述的第一零相移反射镜(103)的中心和第二零相移反射镜(105)的中心的连线的中垂线垂直，且第三零相移反射镜(112)的反射面朝向所述的中心连线并与所述的中心连线平行，第三零相移反射镜(112)的中心位于所述的中垂线上，所述的第一零相移反射镜(103)的中心和第二零相移反射镜(105)的中心的连线构成该装置的参考光轴(101)。
2.利用所述的用于激光系统的光束偏振旋转装置对激光光束的偏振方向进行旋转控制的方法，其特征在于该方法包括如下步骤 ①将所述偏振旋转装置置于光路中，使所述的参考光轴(101)与系统光轴(201)重合； ②将所述偏振旋转装置作为一个整体，绕所述参考光轴101旋转，使所述的第三零相移反射镜(112)的镜面与入射光束(203)的偏振方向(202)平行，标记此时为O位； ③将所述偏振旋转装置作为一个整体，绕所述参考光轴(101)旋转，当所述偏振旋转装置转动一个角度Θ (206)后，出射光束(207)的偏振方向(208)向相同的方向转动2 Θ的角度。
全文摘要
一种用于激光系统的光束偏振旋转装置及偏振控制方法，该装置包括第一零相移反射镜、第二零相移反射镜和第三零相移反射镜，三块反射镜的中心构成一个等腰三角形的顶点，所述的第一零相移反射镜的反射面和第二零相移反射镜的反射面朝外且分别平分所述的等腰三角形的底角，所述的第三零相移反射镜与所述的第一零相移反射镜的中心和第二零相移反射镜的中心的连线的中垂线垂直，所述的第一零相移反射镜的中心和第二零相移反射镜的中心的连线构成该装置的参考光轴。本发明具有易于实现大口径、高损伤阈值、高信噪比等特点，能满足激光系统，尤其是大口径、超强、超短激光系统光束偏振控制的需求。
文档编号G02B27/28GK102830500SQ20121033248
公开日2012年12月19日 申请日期2012年9月10日 优先权日2012年9月10日
发明者高妍琦, 曹兆栋, 杨学东, 冯伟, 刘海辉, 马伟新, 朱俭, 戴亚平 申请人:上海激光等离子体研究所