一种激光器退偏补偿装置及使用方法与流程

本发明属于激光器光束质量技术领域，具体地说涉及一种激光器退偏补偿装置及使用方法。

背景技术：

高平均功率激光器中存在不可忽视的热效应，其中，热致激光退偏(热退偏)会导致激光系统效率下降，其在大口径激光器中会造成近场调制，而在腔内具有起偏期间的激光器中，热退偏还会引起隔离比不够，导致激光器无法关断。

目前，常用的退偏补偿方式很多，退偏不单单包括热退偏还包括应力退偏等其他退偏方式。单激光头激光器常用法拉第旋光器进行退偏补偿，此种方法在中小口径激光器中使用较多，而且效果很好。但是，当激光束口径较大时，由于大口径法拉第旋光器的可获得性较差，成本高昂，同时，法拉第旋光器中旋光晶体因吸收激光而自身产生热退偏，因此，在大口径下旋光晶体的旋光均匀性也无法保证。双激光头激光器常采用90°石英旋光晶体，利用两个激光头互补来进行退偏补偿，在该方法中要求两个激光头的热分布或退偏情况一致，才能实现完美的退偏补偿，实际几乎不可能满足这个条件，因此，石英旋光器可以在一定程度上进行退偏补偿，但退偏补偿效果较差。

技术实现要素：

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出提供一种激光器退偏补偿装置及使用方法，对退偏激光束进行退偏补偿。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种激光器退偏补偿装置，包括退偏激光束、起偏元件、旋光元件、第一反射组件和第二反射组件，所述退偏激光束作为起偏元件的入射激光束，且其为非线偏振光，所述起偏元件用于对退偏激光束进行起偏，以形成透射激光束(即p态线偏振激光)和反射激光束(即s态线偏振激光)；

所述旋光元件、第一反射组件和第二反射组件组成闭合光路，所述旋光元件用于对透射激光束和反射激光束进行旋光，所述第一反射组件用于沿着闭合光路正向反射透射激光束至第二反射组件，且第一反射组件用于沿着闭合光路反向反射反射激光束至起偏元件，所述第二反射组件用于沿着闭合光路反向反射反射激光束至第一反射组件，且第二反射组件用于沿着闭合光路正向反射透射激光束至起偏元件。

进一步，所述起偏元件为偏振片或直角分光棱镜。

进一步，所述旋光元件为旋光器、石英转子、Q开关或1/2波片。

进一步，所述旋光元件在闭合光路中的位置可调。

进一步，所述第一反射组件、第二反射组件为相互独立式结构，且两者均包括至少1个反射元件。

进一步，所述第一反射组件包括第一反射元件，所述第一反射元件位于起偏元件的透射光轴上，沿着反射激光束的传输方向，所述第二反射组件包括第二反射元件和第三反射元件，所述第三反射元件位于起偏元件的反射光轴上，所述第二反射元件位于第一反射元件的反射光轴与第三反射元件的反射光轴相接。

作为优选，所述第一反射元件、第二反射元件、第三反射元件为反射镜或反射偏振片，所述反射镜表面镀有高反膜。

进一步，所述第一反射组件为直角棱镜，其斜边上镀有增透膜，所述第二反射组件包括第三反射元件，所述第三反射元件位于起偏元件的反射光轴上，所述直角棱镜的斜边作为透射激光束和反射激光束的入射面，且透射激光束和反射激光束在直角棱镜的直角边上发生内全反射。

进一步，所述起偏元件、第一反射组件、第二反射组件设置为一体式结构，且三者组成反射异形体，所述退偏激光束在反射异形体内部的传输光路为闭合光路，所述反射异形体至少包括起偏面、第一反射面、第二反射面和第三反射面，所述起偏面用于对退偏激光束进行起偏，以形成透射激光束和反射激光束，所述第一反射面位于起偏面的透射光轴上，所述第三反射面位于起偏面的反射光轴上，所述第二反射面位于第一反射面的反射光轴与第三反射面的反射光轴相接处。

进一步，所述反射异形体还至少包括一次入射面、二次入射面、中间出射面，所述一次入射面同时作为最终出射面，其与退偏激光束的传输方向垂直，所述旋光元件位于中间出射面和二次入射面之间。

另，本发明还提供一种激光器退偏补偿装置的使用方法，包括如下步骤：

S1：经激光放大器输出的退偏激光束入射至起偏元件，起偏形成透射激光束和反射激光束；

S2：所述透射激光束沿着闭合光路正向传输至旋光元件，其偏振态发生90°旋转，旋光后的透射激光束沿着闭合光路再次传输至起偏元件，反射输出；

S3：所述反射激光束沿着闭合光路反向传输至旋光元件，其偏振态发生90°旋转，旋光后的反射激光束沿着闭合光路再次传输至起偏元件，透射输出；

S4：在起偏元件处反射输出的透射激光束与透射输出的反射激光束，合束，合束后的激光束再次经过激光放大器，使其退偏量得到补偿。

本发明的有益效果是：

借助起偏元件将退偏激光束分为s态线偏振激光和p态线偏振激光，同时，旋光元件、第一反射组件和第二反射组件组成闭合光路，两束线偏振激光分别沿着闭合光路进行正向和反向传输，并在传输过程中借助旋光元件实现偏振态的90°旋转，两束线偏振激光具有固定相位关系，合束后的激光束再次通过激光放大器，实现退偏补偿，具有结构简单且紧凑、重量轻、成本低、可获得性高的特点。

附图说明

图1为本发明的一种实施方式的整体结构示意图；

图2是本发明的另一种实施方式的整体结构示意图；

图3是本发明的另一种实施方式的整体结构示意图；

图4为实施例四中采用本发明前p态线偏振激光的CCD采集图像；

图5为实施例四中采用本发明前s态线偏振激光的CCD采集图像；

图6为采用本发明进行退偏补偿后的合束激光束的CCD图像；

图7是本发明的另一种实施方式的整体结构示意图；

图8是本发明的另一种实施方式的整体结构示意图。

附图中：1-退偏激光束、2-起偏元件、3-第一反射元件、4-旋光元件、5-第二反射元件、6-第三反射元件、7-直角棱镜、71-斜边、72-直角边、73-直角边、8-起偏面、9-第一反射面、10-第二反射面、11-第三反射面、12-一次入射面、13-二次入射面。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。

实施例一：

如图1所示，一种激光器退偏补偿装置，包括退偏激光束1、起偏元件2、旋光元件4、第一反射组件和第二反射组件。其中，退偏激光束1由激光放大器输出，其作为整个退偏补偿装置的入射激光束，且其为非线偏振光。所述退偏激光束首先入射至起偏元件2，起偏元件2用于对退偏激光束1进行起偏以形成透射激光束(即p态线偏振激光)和反射激光束(即s态线偏振激光)，退偏激光束1的入射角度根据所用起偏元件2而定。作为优选，所述起偏元件2为偏振片或直角分光棱镜。在其他一些实施例中，所述起偏元件2还可为能够实现起偏和检偏作用的光学元件。旋光元件4用于对透射激光束和反射激光束进行旋光，即对透射激光束和反射激光束的偏振态发生90°旋转，作为优选，所述旋光元件4为旋光器、石英转子、Q开关或1/2波片。在其他一些实施例中，所述旋光元件4还可为能够实现激光束偏振态发生90°旋转的光学元件。所述旋光元件4、第一反射组件和第二反射组件形成闭合光路，经起偏元件2起偏形成的透射激光束和反射激光束，进入闭合光路，同时，旋光后的透射激光束和反射激光束再次传输至起偏元件2，也就是说，透射激光束和反射激光束在闭合光路中的传输光路重合，但是两者的传输方向相反。此外，旋光元件4在闭合光路中的位置不是唯一固定的，即旋光元件4的位置是可调的。

所述第一反射组件、第二反射组件为相互独立式结构，且两者均包括至少1个反射元件。本实施例中，所述第一反射组件包括第一反射元件3，所述第一反射元件3位于起偏元件2的透射光轴上，沿着反射激光束的传输方向，所述第二反射组件包括第二反射元件5和第三反射元件6，所述第三反射元件6位于起偏元件2的反射光轴上，所述第二反射元件5位于第一反射元件3的反射光轴与第三反射元件6的反射光轴相接，以保证透射激光束和反射激光束在闭合光路中的传输光路重合。为了实现透射激光束和反射激光束的低损耗传输，所述第一反射元件3、第二反射元件5、第三反射元件6为反射镜或反射偏振片，所述反射镜表面镀有高反膜。

本实施例中，所述旋光元件4位于第一反射组件和第二反射元件之间，具体的，所述旋光元件4位于第一反射元件3、第二反射元件5之间。具体的退偏补偿过程为：经激光放大器输出的退偏激光束1入射至起偏元件2，起偏形成透射激光束和反射激光束。所述透射激光束沿着闭合光路正向传输，其经第一反射元件3反射至旋光元件4，偏振态发生90°旋转，旋光后的透射激光束沿着闭合光路(即依次经过第二反射元件5、第三反射元件6)再次传输至起偏元件2，反射输出。所述反射激光束沿着闭合光路反向传输，其依次经第三反射元件6、第二反射元件5反射至旋光元件4，偏振态发生90°旋转，旋光后的反射激光束沿着闭合光路(即经过第一反射元件3)再次传输至起偏元件2，透射输出。反射输出的透射激光束和透射输出的反射激光束进行合束，合束后的激光束仍然具有固定的相位关系，其再次经过激光放大器，使其退偏量得到补偿。

本实施例中，所述第一反射组件的作用是：第一，沿着闭合光路正向反射透射激光束，促使透射激光束依次反射至旋光元件4、第二反射组件；第二，沿着闭合光路反向反射旋光后的反射激光束至起偏元件2。所述第二反射组件的作用是：第一，沿着闭合光路反向反射反射激光束，促使反射激光束依次反射至旋光元件4、第一反射组件；第二，沿着闭合光路正向反射旋光后的透射激光束至起偏元件2。其中，闭合光路的正向为顺时针方向，闭合光路的反向为逆时针方向。

实施例二：

本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

如图2所示，所述旋光元件4位于第一反射元件3和起偏元件2之间，具体的退偏补偿过程为：所述透射激光束沿着闭合光路正向传输至旋光元件4，偏振态发生90°旋转，旋光后的透射激光束经第一反射元件3、第二反射元件5、第三反射元件6再次传输至起偏元件2。所述反射激光束沿着闭合光路反向传输，其依次经第三反射元件6、第二反射元件5、第一反射元件3传输至旋光元件4，偏振态发生90°旋转，旋光后的反射激光束沿着闭合光路再次传输至起偏元件2。再次传输至起偏元件2的透射激光束和反射激光束，在起偏元件2处进行合束，合束后的激光束再次经过激光放大器，使其退偏量得到补偿。

本实施例中，所述第一反射组件的作用是：第一，沿着闭合光路正向反射旋光后的透射激光束，促使旋光后的透射激光束反射至第二反射组件；第二，沿着闭合光路反向反射反射激光束，促使反射激光束依次反射至旋光元件4、起偏元件2。所述第二反射组件的作用是：第一，沿着闭合光路反向反射反射激光束，促使反射激光束反射至第一反射组件；第二，沿着闭合光路正向反射旋光后的透射激光束至起偏元件2。

实施例三：

本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

如图3所示，所述旋光元件4位于第二反射组件和起偏元件2之间，具体的，旋光元件4位于第三反射元件6和起偏元件2之间。

具体的退偏补偿过程为：所述透射激光束沿着闭合光路正向传输，经第一反射元件3、第三反射镜7、第三反射元件6传输至旋光元件4，偏振态发生90°旋转，旋光后的透射激光束再次传输至起偏元件2。所述反射激光束沿着闭合光路反向传输至旋光元件4，偏振态发生90°旋转，旋光后的反射激光束沿着闭合光路继续传输，其依次经第三反射元件6、第三反射镜7、第一反射元件3再次传输至起偏元件2。再次传输至起偏元件2的透射激光束和反射激光束，在起偏元件2处进行合束，合束后的激光束再次经过激光放大器，使其退偏量得到补偿。

本实施例中，所述第一反射组件的作用是：第一，沿着闭合光路正向反射透射激光束，促使透射激光束反射至第二反射组件；第二，沿着闭合光路反向反射旋光后的反射激光束，促使反射激光束反射至起偏元件2。所述第二反射组件的作用是：第一，沿着闭合光路反向反射旋光后的反射激光束，促使反射激光束反射至第一反射组件；第二，沿着闭合光路正向反射透射激光束，促使透射激光束依次反射至旋光元件4、起偏元件2。

实施例四：

本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

种子光束为方形光斑的s态线偏振激光，起偏元件2为偏振片，其允许p态线偏振激光透过，旋光元件4为旋光器。由于激光介质存在热沉积，当种子光束通过激光放大器进行放大后，光斑四角对应激光介质内的热应力最大，导致种子光束的四角退偏最严重，四角中有部分光束的偏振态转为p态线偏振激光或有部分p态偏振分量，也就是说，退偏激光束1同时含有s态线偏振激光和p态线偏振激光。

当所述退偏激光束1以布儒斯特角入射到偏振片表面，光束四角的p态线偏振激光透过偏振片形成透射激光束，此时，采集所述透射激光束的CCD图像，如图4所示。s态线偏振激光被偏振片反射形成反射激光束，此时，采集所述反射激光束的CCD图像，如图5所示。

透射激光束继续沿着闭合光路正向传输，依次经第一反射元件3、旋光器、第二反射元件5和第三反射元件6，其变为s态线偏振激光；反射激光束继续沿着闭合光路反向传输，依次经第三反射元件6、第二反射元件5、旋光器和第一反射元件3，其变为p态线偏振激光。旋光后的透射激光束和反射激光束在偏振片处合束后，此时，采集所述合束激光束的CCD图像，如图6所示。由图4-6可以看出：经本发明退偏补偿后的合束激光束的四角退偏得到补偿，且激光偏振态大部分都是s偏振态，光斑形状有了明显改善。

实施例五：

本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

如图7所示，所述第一反射组件为直角棱镜7，其斜边71上镀有增透膜，所述第二反射组件包括第三反射元件6，所述第三反射元件6位于起偏元件2的反射光轴上，所述直角棱镜7的斜边71作为透射激光束和反射激光束的入射面。

具体的退偏补偿过程为：所述透射激光束沿着闭合光路正向传输，其经斜边71入射至直角边72上，在直角边72上发生内全反射后入射至直角边73上，在直角边73发生内全反射后入射至旋光元件4，偏振态发生90°旋转，旋光后的透射激光束沿着闭合光路(即经过第三反射元件6)再次传输至起偏元件2，反射输出。所述反射激光束沿着闭合光路反向传输，其经第三反射元件6反射至旋光元件4，偏振态发生90°旋转，旋光后的反射激光束沿着闭合光路传输至直角棱镜7，旋光后的反射激光束经斜边71入射至直角边73上，在直角边73上发生内全反射后入射至直角边72上，在直角边72发生内全反射后再次传输至起偏元件2，透射输出。反射输出的透射激光束和透射输出的反射激光束进行合束，合束后的激光束仍然具有固定的相位关系，其再次经过激光放大器，使其退偏量得到补偿。

实施例六：

本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

如图8所示，所述起偏元件2、第一反射组件、第二反射组件设置为一体式结构，且三者组成反射异形体，所述退偏激光束1在反射异形体内部的传输光路为闭合光路。

所述反射异形体至少包括一次入射面12、二次入射面13、中间出射面、起偏面8、第一反射面9、第二反射面10和第三反射面11。其中，所述一次入射面12同时作为最终出射面，其与退偏激光束1的传输方向垂直。所述起偏面8用于对退偏激光束1进行起偏，以形成透射激光束和反射激光束，也就是说，退偏激光束1经一次入射面12入射至起偏面8进行起偏。所述第一反射面9位于起偏面8的透射光轴上，所述第三反射面11位于起偏面8的反射光轴上，所述第二反射面10位于第一反射面9的反射光轴与第三反射面11的反射光轴相接处。

也就是说，第一反射面9用于沿着闭合光路正向反射透射激光束至第二反射面10，且第一反射面9用于沿着闭合光路反向反射反射激光束至起偏面8，所述第三反射面11用于沿着闭合光路反向反射反射激光束至第二反射面10，且第三反射面11用于沿着闭合光路正向反射透射激光束至起偏面8，第二反射面10用于反射来自第一反射面9的透射激光束、来自第三反射面11的反射激光束。

此外，所述旋光元件4位于中间出射面和二次入射面13之间，本实施例中，中间出射面与起偏面8重合，一次入射面12和二次入射面13镀有增透膜，反射激光束和透射激光束分别在第一反射面9、第二反射面10、第三反射面11上发生内全反射。在其他一些实施例中，中间出射面与起偏面8不重合，中间出射面与二次入射面13之间形成容纳旋光元件4的凹槽，同时，沿着闭合光路的正向，中间出射面位于起偏面8之后。一次入射面12、二次入射面13、中间出射面镀有增透膜，第一反射面9、第二反射面10、第三反射面11上镀有增反膜。

此外，发明人还进行了其他一系列对比试验，具体如下：

试验一：

未进行退偏补偿的激光束的退偏量为25％，采用法拉第退偏补偿后的激光束的退偏量为2.6％，采用90°转子退偏补偿后的激光束的退偏量为13％。可见，90°转子退偏补偿效果有限，局限性较大，需要转子前后两个激光介质的热分布完全一致，否则无法获得较好的补偿效果。

试验二：

未进行退偏补偿的激光束的退偏量为2.6％，采用法拉第退偏补偿后的激光束的退偏量为1.3％，采用本发明进行退偏补偿后的激光束的退偏量为1.4％。可见，本发明与法拉第退偏补偿效果相当，但是，在成本、重量、可获得性方面，本发明具有显著优势。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。