一种高偏振纯度可调偏振方向的旋转对称偏振空心激光器论文和设计-吕彦飞

全文摘要

本发明公开了一种高偏振纯度可调偏振方向的旋转对称偏振空心激光器，包括依次设置的负圆锥镜(1)、正圆锥镜(2)、激光增益介质(3)、平面反射镜(4)、旋光晶体正圆锥(7)和旋光晶体负圆锥(8)；平面反射镜(4)下方设置有耦合光学系统(5)和半导体激光阵列(6)；激光增益介质(3)、正圆锥镜(2)、负圆锥镜(1)、旋光晶体正圆锥(7)和旋光晶体负圆锥(8)构成激光谐振腔，激光增益介质(3)的右端面为激光谐振腔的输入镜，旋光晶体负圆锥(8)作为激光谐振腔的输出耦合镜。本发明使激光器输出光束横截面光强中心具有较大暗斑尺寸，偏振分布呈旋转对称分布且偏振方向连续可调，提高了空心激光束的偏振纯度和光束质量。

主设计要求

1.一种高偏振纯度可调偏振方向的旋转对称偏振空心激光器，其特征在于：包括从左至右依次设置的负圆锥镜(1)、正圆锥镜(2)、激光增益介质(3)、平面反射镜(4)、旋光晶体正圆锥(7)和旋光晶体负圆锥(8)；所述平面反射镜(4)的正下方设置有耦合光学系统(5)和半导体激光阵列(6)；所述激光增益介质(3)、正圆锥镜(2)、负圆锥镜(1)、旋光晶体正圆锥(7)和旋光晶体负圆锥(8)构成激光谐振腔，激光增益介质(3)的右端面为激光谐振腔的输入镜，旋光晶体负圆锥(8)作为激光谐振腔的输出耦合镜；所述负圆锥镜(1)的锥角β＝2θB，正圆锥镜(2)的锥角α＝π-2θB，其中，θB为光束在正圆锥镜(2)母线的入射角，该入射角为布儒斯特角，由正、负圆锥组合构成望远系统。

设计方案

1.一种高偏振纯度可调偏振方向的旋转对称偏振空心激光器，其特征在于：包括从左至右依次设置的负圆锥镜(1)、正圆锥镜(2)、激光增益介质(3)、平面反射镜(4)、旋光晶体正圆锥(7)和旋光晶体负圆锥(8)；所述平面反射镜(4)的正下方设置有耦合光学系统(5)和半导体激光阵列(6)；

所述激光增益介质(3)、正圆锥镜(2)、负圆锥镜(1)、旋光晶体正圆锥(7)和旋光晶体负圆锥(8)构成激光谐振腔，激光增益介质(3)的右端面为激光谐振腔的输入镜，旋光晶体负圆锥(8)作为激光谐振腔的输出耦合镜；

所述负圆锥镜(1)的锥角β＝2θ_{B<\/sub>，正圆锥镜(2)的锥角α＝π-2θ_{B<\/sub>，其中，θ_{B<\/sub>为光束在正圆锥镜(2)母线的入射角，该入射角为布儒斯特角，由正、负圆锥组合构成望远系统。}}}

2.根据权利要求1所述的一种高偏振纯度可调偏振方向的旋转对称偏振空心激光器，其特征在于：所述负圆锥镜(1)、正圆锥镜(2)、激光增益介质(3)、平面反射镜(4)、旋光晶体正圆锥(7)和旋光晶体负圆锥(8)的中心位于同一水平直线上。

3.根据权利要求1所述的一种高偏振纯度可调偏振方向的旋转对称偏振空心激光器，其特征在于：所述平面反射镜(4)的设置角度与水平方向呈45度夹角，且平面反射镜(4)、耦合光学系统(5)和半导体激光阵列(6)的中心位于同一竖直直线上。

4.根据权利要求1所述的一种高偏振纯度可调偏振方向的旋转对称偏振空心激光器，其特征在于：所述旋光晶体正圆锥(7)和旋光晶体负圆锥(8)均由石英晶体制成，旋光晶体正圆锥(7)和旋光晶体负圆锥(8)的光轴垂直于各自的底面；旋光晶体正圆锥(7)的正锥角与旋光晶体负圆锥(8)的负锥角相等，且处于30°-60°之间。

5.根据权利要求1所述的一种高偏振纯度可调偏振方向的旋转对称偏振空心激光器，其特征在于：所述负圆锥镜(1)的锥面对激光波长镀高反射膜。

6.根据权利要求1所述的一种高偏振纯度可调偏振方向的旋转对称偏振空心激光器，其特征在于：所述激光增益介质(3)对泵浦波长镀增透膜，同时激光增益介质(3)的右端面对激光波长镀高反射膜。

7.根据权利要求1所述的一种高偏振纯度可调偏振方向的旋转对称偏振空心激光器，其特征在于：所述平面反射镜(4)对泵浦波长镀高反射膜。

8.根据权利要求1所述的一种高偏振纯度可调偏振方向的旋转对称偏振空心激光器，其特征在于：所述旋光晶体正圆锥(7)对激光波长镀增透膜。

9.根据权利要求1所述的一种高偏振纯度可调偏振方向的旋转对称偏振空心激光器，其特征在于：所述旋光晶体负圆锥(8)的锥面对激光波长镀增透膜，其底面对激光波长镀10％的介质膜。

设计说明书

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特别是涉及一种高偏振纯度可调偏振方向的旋转对称偏振空心激光器。

背景技术

旋转对称偏振光是一种非均匀偏振光，其偏振方向沿着光束横截面的分布为旋转对称分布。在光束中心由于存在位相奇变点和偏振奇点，因此，光束中心强度为零。旋转对称偏振光的特殊强度分布和非均匀偏振分布使其可以用于激光加工、表面等离子体激励和近场扫描显微等应用中。

目前已经发展起来各种获得旋转对称偏振光的方法，主要有腔内法和腔外法。腔内法是在激光谐振腔中设置圆形光栅镜或双折射晶体等偏振选择元件使激光器能直接输出旋转对称偏振光，其腔内偏振选择元件制作复杂，稳定性差，而且获得偏折光的纯度不高。腔外法主要通过激励波导的高阶模式、相干合成和液晶扭转等方法，将线偏振光或圆偏振光转化为旋转对称偏振光，这些方法制作工艺复杂，转化效率低，而且获得偏振光的纯度不够理想。此外，上述方法只能获得一个旋转对称方向的偏振光束，光束偏振方向不能连续调节，严重影响了光束应用的灵活性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高偏振纯度可调偏振方向的旋转对称偏振空心激光器，使激光器输出光束横截面光强中心向具有较大暗斑尺寸，偏振分布呈旋转对称分布且偏振方向连续可调，有效提高了空心激光束的偏振纯度和光束质量。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种高偏振纯度可调偏振方向的旋转对称偏振空心激光器，包括从左至右依次设置的负圆锥镜、正圆锥镜、激光增益介质、平面反射镜、旋光晶体正圆锥和旋光晶体负圆锥；所述平面反射镜的正下方设置有耦合光学系统和半导体激光阵列；

所述激光增益介质、正圆锥镜、负圆锥镜、旋光晶体正圆锥和旋光晶体负圆锥构成激光谐振腔，激光增益介质的右端面为激光谐振腔的输入镜，旋光晶体负圆锥作为激光谐振腔的输出耦合镜；泵浦光束发出的泵浦光经过耦合光学系统由平面反射镜将泵浦光通过端面泵浦方式耦合到增益介质中，当达到激光阈值后在谐振腔内产生激光振荡。

优选地，所述负圆锥镜、正圆锥镜、激光增益介质、平面反射镜、旋光晶体正圆锥和旋光晶体负圆锥的中心位于同一水平直线上；所述平面反射镜的设置角度与水平方向呈45度夹角，且平面反射镜、耦合光学系统和半导体激光阵列的中心位于同一竖直直线上。

优选地，所述负圆锥镜的锥角β＝2θ_{B<\/sub>，正圆锥镜的锥角α＝π-2θ_{B<\/sub>，其中，θ_{B<\/sub>为光束在正圆锥镜母线的入射角，该入射角为布儒斯特角，由正、负圆锥组合构成望远系统：腔内激光束入射到正圆锥镜的母线上，当正圆锥镜的锥角α＝π-2θ_{B<\/sub>，光束经正圆锥镜一条母线反射的光束为线偏振光(S波),对整个2π方向上看(旋转一周)，从所有母线的反射光的偏振为旋转对称；当负圆锥镜的锥角β＝2θ_{B<\/sub>，正、负圆锥镜组合构成望远系统，将旋转对称偏振光变换成水平方向；当旋光晶体正圆锥的锥角和旋光负圆锥的锥角相等时，旋转对称偏振空心光束由旋光晶体负圆锥的底面平行输出。}}}}}

优选地，所述旋光晶体正圆锥和旋光晶体负圆锥均由石英晶体制成，旋光晶体正圆锥和旋光晶体负圆锥的光轴垂直于各自的底面；旋光晶体正圆锥的正锥角与旋光晶体负圆锥的负锥角相等，且处于30°-60°之间；根据晶体的旋光特性，当一定波长的偏振光沿着旋光晶体光轴方向通过时，其振动面会转动一个角度，光矢量转过的角度与该通过物质的距离成正比；当调节旋光晶体正圆锥和旋光负圆锥之间的距离时，通过旋光晶体正圆锥的锥角和旋光负圆锥距离之和会就发生改变，从而可以改变出射空心光束的偏振方向。当沿轴调节负圆锥镜时，旋转对称偏振光束的偏振方向也会连续变化。

优选地，所述负圆锥镜的锥面对激光波长镀高反射膜；正圆锥镜的锥面不镀膜，所述激光增益介质对泵浦波长镀增透膜，同时激光增益介质的右端面对激光波长镀高反射膜；所述平面反射镜对泵浦波长镀高反射膜；所述旋光晶体正圆锥对激光波长镀增透膜；所述旋光晶体负圆锥的锥面对激光波长镀增透膜，其底面对激光波长镀10％的介质膜。

本发明的有益效果是：本发明输出光束横截面光强中心向具有较大暗斑尺寸，偏振分布呈旋转对称分布且偏振方向连续可调，有效提高了空心激光器的偏振纯度和光束质量。

附图说明

图1为本发明激光器的结构示意图；

图2为高偏振纯度大暗斑旋光旋转对称偏振截面示意图；

图3为可调旋转对称偏振光束偏振方向的原理图；

图4为负圆锥镜截面示意图；

图5为正圆锥镜截面示意图；

图中，1-负圆锥镜，2-正圆锥镜，3-激光增益介质，4-平面反射镜，5-耦合光学系统，6-半导体激光阵列，7-旋光晶体正圆锥，8-旋光晶体负圆锥。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种高偏振纯度可调偏振方向的旋转对称偏振空心激光器，包括从左至右依次设置的负圆锥镜1、正圆锥镜2、激光增益介质3、平面反射镜4、旋光晶体正圆锥7和旋光晶体负圆锥8；所述平面反射镜4的正下方设置有耦合光学系统5和半导体激光阵列6；所述激光增益介质3、正圆锥镜2、负圆锥镜1、旋光晶体正圆锥7和旋光晶体负圆锥8构成激光谐振腔，激光增益介质3的右端面为激光谐振腔的输入镜，旋光晶体负圆锥8作为激光谐振腔的输出耦合镜。

其中，所述负圆锥镜1、正圆锥镜2、激光增益介质3、平面反射镜4、旋光晶体正圆锥7和旋光晶体负圆锥8的中心位于同一水平直线上；所述平面反射镜4的设置角度与水平方向呈45度夹角，且平面反射镜4、耦合光学系统5和半导体激光阵列6的中心位于同一竖直直线上。

其中，所述负圆锥镜1的锥角β＝2θ_{B<\/sub>，正圆锥镜2的锥角α＝π-2θ_{B<\/sub>，其中，θ_{B<\/sub>为光束在正圆锥镜2母线的入射角，该入射角为布儒斯特角，由正、负圆锥组合构成望远系统。}}}

腔内激光束入射到正圆锥镜2的母线上，当正圆锥镜2的锥角α＝π-2θ_{B<\/sub>，光束经正圆锥镜2一条母线反射的光束为线偏振光S波,对整个2π方向上看，从所有正圆锥镜2母线的反射光的偏振为旋转对称偏振；当负圆锥镜1的锥角β＝2θ_{B<\/sub>，正圆锥镜2和负圆锥镜1组合构成望远系统，将旋转对称偏振光束的传播方向变换成水平方向；旋转对称偏振光经过旋光晶体正圆锥7和旋光晶体负圆锥8，当旋光晶体正圆锥7的锥角和旋光负圆锥8的锥角相等时，旋转对称偏振光束旋光晶体负圆锥底面平行输出，输出光束横截面示意图如图2所示，光束的特点为光束的横截面具有较大空心区域、光束的偏振方向为旋转对称偏振、光束具有极高的偏振纯度以及光束的偏振方向连续调节。}}

如图3所示，为可调旋转对称偏振光束偏振方向的原理图，原理的计算过程如下：设旋光晶体正圆锥镜7与旋光晶体负圆锥镜8的锥角为γ，旋光晶体正圆锥镜7的底面与顶点分别到光束与其母线交点的沿轴距离为l_{0<\/sub>和l_{1<\/sub>，旋光晶体正圆锥镜7底面上的光束半径为ω_{1<\/sub>，旋光晶体负圆锥镜8母线上的光束半径为ω_{2<\/sub>，旋光晶体负圆锥镜8的顶点到光束与其母线交点的沿轴距离为l_{2<\/sub>，旋光晶体负圆锥镜8的顶点到底面的距离为d，光束经旋光晶体正圆锥镜7折射后与水平轴线的夹角为ρ，且与轴线的交点为A，A点到旋光晶体负圆锥镜8的底面距离为l_{3<\/sub>。圆锥镜7的偏折角ρ为：}}}}}}

根据几何关系可得

将(3)式代入(2)式得

将(4)和(5)式代入(6)式得

将(1)式代入(7)式得

因此，光束在旋光晶体正圆锥镜7与旋光晶体负圆锥镜8内通过的距离L＝l_{0<\/sub>+d+l_{2<\/sub>。根据晶体的旋光特性，当一定波长的偏振光沿着旋光晶体光轴方向通过时，其振动面会转动一个角度，光矢量转过的角度与该通过物质的距离L成正比；当沿轴调节旋光晶体负圆锥时，l_{2<\/sub>会变化，进而引起L变化，从而会改变出射光束的偏振方向。}}}

在本申请的实施例中，泵浦波长(即泵浦源的输出光波长，也就是半导体激光阵列6的输出光波长)为808nm，激光波长(即整个激光器的输出光波长)为1064nm，具体地，所述泵浦源采用输出波长为808nm光纤耦合二极管阵列的半导体激光器；耦合光学系统7采用芯直径为400μm的光纤和一对凸面相对的平凸透镜组成，通过端面泵浦方式将泵浦功率注入到激光增益介质3中，具体地，泵浦源通过光纤将泵浦光垂直入射到两个平凸透镜中，泵浦光通过平凸透镜后耦合后，经平面反射镜4将泵浦光反射注入激光增益介质3中；激光增益介质3采用Φ6mm×3mm、1.0at.％钕离子掺杂浓度的钇铝石榴石Nd:YAG晶体；对泵浦源和Nd:YAG进行TEC致冷，温度控制在15°±0.5°范围；激光增益介质3通光面对808nm镀增透膜，同时右侧作为谐振腔的输入镜对1064nm镀高反射膜；如图4所示，负圆锥镜1由K9玻璃制成，其锥角β＝115.8°，底面直径d_{1<\/sub>＝50mm，负圆锥镜1的锥面对1064nm波长镀高反射膜；如图5所示，正圆锥镜2由K9玻璃制成，其锥角α＝64.2°，底面直径d_{2<\/sub>＝10mm，正圆锥镜2的锥面不镀膜；激光增益介质3对808nm波长镀增透膜，同时右端面对1064nm波长镀高反射膜；平面反射镜4对808nm波长镀高反射膜；旋光晶体正圆锥7和旋光晶体正圆锥8由石英晶体制成，其光轴均垂直于底面，正负锥角γ均为120°。旋光晶体正圆锥7对1064nm波长镀增透膜；旋光晶体负圆锥的锥面对1064nm波长镀增透膜，其底面对1064nm波长镀10％的介质膜。}}

综上，本发明输出光束横截面光强中心向具有较大暗斑尺寸，偏振分布呈旋转对称分布且偏振方向连续可调，有效提高了空心激光器的偏振纯度和光束质量；该激光器产生的光束可用于光学捕获、光学囚禁、微观粒子操纵、双光子荧光成像、激光打孔和焊接等领域中。

需要说明的是，以上所述是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应该看作是对其他实施例的排除，而可用于其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

设计图

一种高偏振纯度可调偏振方向的旋转对称偏振空心激光器论文和设计

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