專利名稱：一種用于產生高功率軸對稱偏振光的激光器的制作方法
技術領域：
本發明屬于激光器，涉及到輸出軸對稱偏振光的激光器，具體涉及一種用于產生高功率軸對稱偏振光的激光器。
背景技術：
由于軸對稱偏振光的特殊偏振特性，在很多領域中表現出誘人的應用前景。其中， 最具應用潛質的是環向偏振光(圖l_a)和徑向偏振光(圖l_b)兩類軸對稱偏振光，圖1 中的箭頭指向為電矢量方向。環向偏振光和徑向偏振光的偏振方向在光束橫截面內除光束中心外各點均與徑向分別呈90°和0°。在激光加工中，例如激光切割、激光焊接、激光打孔等應用中，激光的偏振狀態都會對激光加工質量產生重要影響。環向偏振光應用于工業激光打孔時，側壁對激光能量的吸收很少，吸收主要集中在孔的底部。因此，采用環向偏振光加工的孔與圓偏振光加工的孔相比，具有孔徑小、孔深大、錐度小、熱影響區小等特點。高功率激光切割中，目前使用的圓偏振光可以消除線偏振光在不同切割路徑上吸收不同的問題，提高切割精度和切割質量。 但是材料對圓偏振光的吸收效率并不高，使得目前激光切割的能量利用率并未達到最大。 而徑向偏振光由于偏振方向沿光束橫截面為徑向分布，對于切割面上的每一點而言，入射的激光都是P偏振光，而材料對P偏振光的吸收率比S偏振光的吸收率大。研究表明，徑向偏振光相比于圓偏振光切割效率可以提高2倍左右。在中高功率氣體激光器中，一般采用折疊腔來增加增益的長度，以便提高激光輸出功率。但是由于轉折鏡在以非零度角入射時，對P偏振光和S偏振光的反射率有一定的差別。因此，在這種結構中，轉折鏡的偏振選擇特性將降低軸對稱偏振光的偏振度，嚴重的時候甚至得不到軸對稱偏振的圓環空心光束。申請號200820165973. 0公開了《一種實現線偏振光轉換為徑向偏振光的裝置》， 該裝置采用被動產生方式，由半波片、四分之一波片、雙折射晶體、石英偏振旋轉器等排列組成，將線偏振光轉化為徑向偏振光。這種方法的不足之處在于，采用的光學器件多，系統對波片與雙折射元件光軸之間的相對位置要求嚴格，而且這些器件不宜承受高功率。因此這種方法不適宜于獲得高功率徑向偏振光。申請號200910051101.0公開了一種《輸出徑向偏振光束的激光器》，這種方法采用主動產生方式，以布儒斯特軸錐鏡作為腔內偏振元件產生徑向偏振光。但是由于插入布儒斯特軸錐鏡到腔內，增加了諧振腔的損耗。而且布儒斯特軸錐鏡的制造和調整精度要求很高，限制了系統的效率和輸出徑向偏振光的偏振度。同時，端面泵浦結構也限制了輸出激光的功率。因此，這種方式也不利于輸出高功率和高偏振度的軸對稱偏振光。
發明內容
本發明針對上述技術的不足，提供了一種用于產生高功率軸對稱偏振光的激光器，該激光器結構簡單，具有輸出功率和偏振度高，光束質量好的特點。
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本發明提供的一種用于產生高功率軸對稱偏振光的激光器，它包括全反鏡、輸出鏡、激光工作介質和泵浦源，激光工作介質位于所有與全反鏡垂直的折疊臂上，泵浦源為射頻泵浦源、半導體激光器泵浦源或閃光燈泵浦源。其特征在于，它還包括4*N個轉折鏡，N =1、2或3 ；4*N個轉折鏡均為平面高反射鏡；4*N個轉折鏡在光路上位于全反鏡和輸出鏡之間，且各轉折鏡的中心均位于激光諧振腔的光軸上；法線與子午面平行的轉折鏡個數跟法線與弧矢面平行的轉折鏡個數相等，其中，2*N個轉折鏡的法線與子午面平行，且相鄰兩個轉折鏡法線之間的夾角為90°，其余2*N個轉折鏡的法線與弧矢面平行，相鄰兩個轉折鏡法線之間夾角也為90°，且4*N個轉折鏡的法線與光軸的夾角均為45°。作為上述技術方案的改進，激光器諧振腔的全反射鏡為偏振選擇鏡，偏振選擇鏡的中心位于激光諧振腔的光軸上，且鏡面垂直于光軸，偏振選擇鏡的刻蝕線為圓環，光柵區刻蝕圓環寬度均勻分布，光柵的刻線剖面為矩形。偏振選擇鏡僅對徑向或環向軸對稱偏振光具有高反射率。作為上述技術方案的進一步改進，偏振選擇鏡為介質光柵鏡。介質光柵鏡優選的結構是介質光柵鏡包括介質光柵、多層介質膜和基底；介質光柵的刻線與基底同心，介質光柵鏡刻蝕區的尺寸滿足關系Φ2= ￠^2*!^其中，Ct1為基底直徑，(^2為介質光柵刻蝕區圓環的直徑，L為基底上未鍍膜和未刻蝕介質光柵的圓環寬度；多層介質膜由高低折射率材料交替層疊而成；多層介質膜位于介質光柵和基底之間，介質光柵層厚度小于多層介質膜總厚度。作為上述技術方案的另一種進一步改進，偏振選擇鏡為內軸錐金屬光柵鏡。內軸錐金屬光柵鏡優選的結構是在銅基底上車出內軸錐，內軸錐的錐角為90°，且軸錐的軸線與錐外圓臺垂直，并與諧振腔光軸重合，金屬光柵刻于內軸錐面上，垂直于內軸錐面，金屬光柵刻蝕線與軸錐同心，內軸錐金屬光柵鏡的尺寸滿足關系4a= 4b+2*d，其中，(^為內軸錐金屬光柵刻蝕區錐底的直徑，軸錐金屬光柵刻蝕區錐頂的直徑，d為內軸錐金屬光柵鏡的刻蝕區高度。本發明的技術效果本發明通過采用空間折疊諧振腔的結構，消除了同一平面內多個轉折鏡對腔內光場偏振選擇的影響。采用具有高偏振選擇性和高反射率的偏振選擇鏡可以得到高偏振度的軸對稱偏振光束。諧振腔無其他插入元件，諧振腔的損耗低，增益長度大，可實現高功率輸出。本發明適應性廣、結構簡單、安裝調試方便。能夠滿足中、高功率軸對稱偏振光的輸出要求。本發明易于在工業加工領域推廣使用。
圖1為兩類軸對稱偏振光LG_模的電矢量結構圖；圖2為本發明實施例1空間三折疊介質光柵鏡激光器結構示意圖；圖3為本發明實施例1空間三折疊介質光柵鏡激光器右視圖；圖4為本發明實施例1轉折鏡組件的結構示意圖；圖5為本發明實施例1轉折鏡組件下視圖；圖6為本發明實施例1平面介質光柵鏡結構示意圖；圖7為本發明實施例1平面介質光柵鏡組件示意圖；圖8為本發明實施例1平面介質光柵鏡組件上視圖9為本發明實施例1平面介質光柵鏡組件下視圖；圖10為本發明實施例1內軸錐金屬光柵鏡組件示意圖；圖11為本發明實施例1內軸錐金屬光柵鏡組件上視圖；圖12為本發明實施例1內軸錐金屬光柵鏡組件下視圖；圖13為本發明實施例1輸出鏡組件示意圖；圖14為本發明實施例2空間五折疊介質光柵鏡激光器結構示意圖；圖15為本發明實施例2空間五折疊介質光柵鏡激光器右視圖；圖16為本發明實施例1平面介質光柵鏡典型結構示意圖；圖17為本發明實施例1平面介質光柵鏡典型結構的反射率與光柵深度之間的關系圖；圖18為本發明實施例1內軸錐金屬光柵鏡典型結構的反射率與光柵深度之間的關系圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。如圖2，3所示，實例1為三折疊介質光柵鏡激光器，它包括介質光柵鏡1、轉折鏡 2，3，4，5、輸出鏡6、激光工作介質7、泵浦源8、角鏡支架9、10。轉折鏡2，3安裝在角鏡支架 9上，轉折鏡4，5安裝在角鏡支架10上。如圖4，5所示，轉折鏡2，3，4，5均為相同尺寸的銅鏡，在拋光的基底11上鍍有高反射膜，背面銑有環型水冷卻通道12，轉折鏡后蓋板13上，有入水接口 14和出水接口 15。 轉折鏡后蓋板13和轉折鏡可以通過焊接方式連接在一起。轉折鏡2，3，4，5的中心位于激光諧振腔的光軸上，轉折鏡2，3的法線位于同一平面內，二者之間的夾角為90°，該平面平行于弧矢面。轉折鏡4，5的法線也位于同一平面內，二者之間的夾角為90°，該平面平行于子午面。轉折鏡2，3，4，5的法線與光軸的夾角均為45°。平行于光軸入射的徑向偏振光束經過轉折鏡2，3反射后將平行于光軸出射。子午方向上偏振分量的強度將比弧矢方向上偏振分量的強度高。平行于光軸入射的徑向偏振光束經過轉折鏡4，5反射后將平行于光軸出射。子午方向上偏振分量的強度將比弧矢方向上偏振分量的強度低。但是，軸對稱偏振光經過轉折鏡2，3，4，5反射后，徑向各方向上偏振分量的強度均相同。這樣就消除了同一平面內轉折鏡對軸對稱偏振光的退偏影響。如圖6，7，8，9所示，介質光柵鏡1裝于支架19上。支架19上銑有環形水冷凹槽 20。支架19和蓋板21之間可以通過焊接的方式將二者連接起來形成水冷通道，用于冷卻介質光柵鏡。蓋板21上有入水接口 22和出水接口 23。介質光柵鏡1采用具有優良導熱性能和低吸收特性的基底16。在基底16上鍍有多層介質膜17。介質光柵18位于多層介質膜17上，介質光柵的刻蝕線為圓，各刻蝕圓環與介質光柵鏡基底同心，光柵剖面為矩形。中心未刻蝕區的直徑為Φ3，其取值一般應小于三十個光柵周期。介質光柵鏡刻蝕區的尺寸滿足關系Φ2= $「2*1^。其中Ct1為基底的直徑，多層介質膜17和光柵刻蝕區18具有相同的直徑Φ2，L為未刻蝕圓環的寬度。在特定的光柵參數(光柵周期Α，光柵脊寬b，刻槽深度h)下，過光柵鏡直徑的任一入射面內正入射的P偏振分量或與之正交的S偏振分量的反射率接近于100%，且高于與之正交的S偏振分量或P偏振分量的反射率10 %以上，就有非常好的偏振選擇效果。那么，將光柵鏡作為激光諧振腔的尾鏡，腔內過任一介質光柵鏡直徑的入射面內僅有P偏振或與S偏振分量可以幾乎完全被反射，而與之偏振方向正交的S偏振或P偏振分量大部分將透射出介質光柵鏡。因此，僅有P偏振或S偏振分量可以實現振蕩。而介質光柵鏡的圓對稱結構，可使激光器輸出徑向或環向軸對稱偏振光。光柵鏡既可以是平面或凹面介質光柵鏡，也可以是內軸錐金屬光柵鏡。只須保證光柵鏡有高的反射率和較大的偏振選擇特性。如圖10，11，12所示，內軸錐金屬光柵鏡M是在銅基底25上車出內軸錐。內軸錐的錐角為90°，且軸錐的軸線與錐外圓臺沈垂直，并與諧振腔光軸重合。光柵27刻于內軸錐面40上，垂直于內軸錐面40。光柵刻蝕線為圓環，并與軸錐同心。光柵刻蝕剖面為矩形。內軸錐金屬光柵鏡M的尺寸滿足關系Φ3= 6b+2*d。其中，(K為內軸錐金屬光柵刻蝕區錐底的直徑，為內軸錐金屬光柵刻蝕區錐頂的直徑，d為內軸錐金屬光柵鏡的刻蝕區深度。內軸錐金屬光柵鏡M同樣可以裝于光柵鏡支架19上。將內軸錐金屬光柵鏡作為尾鏡，激光相對于光柵以45°角入射。在特定的光柵參數(光柵周期A，光柵脊寬b，刻槽深度h)下，在某一過內軸錐軸線的入射面內，僅有P偏振或S偏振分量的激光可以幾乎完全被反射，其反射率高于與之正交的S偏振或P偏振分量反射率10%以上，就具有很好的偏振選擇性。因此，僅有P偏振或S偏振分量可以實現振蕩。鑒于內軸錐金屬光柵鏡的軸對稱性，同樣可以得到徑向或環向軸對稱偏振光。如圖13所示，輸出鏡6為部分透過率鏡，安裝于支架19上。輸出鏡6可以通過支架19來冷卻。如圖14，15所示，實例2為空間五折疊介質光柵鏡諧振腔構成的激光器的結構， 具體包括介質光柵鏡1、輸出鏡6，激光工作介質7、泵浦源8、轉折鏡32，33，34，35，36，37， 38，39及角鏡支架觀，29，30，31。轉折鏡32，33安裝在角鏡支架28上，轉折鏡34，35安裝在角鏡支架四上，轉折鏡36，37安裝在角鏡支架30上，轉折鏡38，39安裝在角鏡支架31 上。轉折鏡32，33，34，35，36，37，38，39的法線與光軸的夾角均為45°，各轉折鏡的中心與光軸重合。轉折鏡32與33的法線位于同一平面內，轉折鏡36與37的法線也位于同一平面內，法線之間的夾角均為90°，這兩個平面都平行于弧矢面。轉折鏡34與35的法線位于同一平面內，轉折鏡38與39的法線也位于同一平面內，法線之間的夾角均為90°，這兩個平面都平行于子午面。轉折鏡32，33，34，35，36，37，38，39與光柵鏡1和輸出鏡6組成的空間五折疊諧振腔同樣消除了同一平面內排列的轉折鏡對軸對稱偏振光的退偏影響。并且還增加了增益區的長度，提高了光束質量，有利于得到更高功率的徑向或環向軸對稱偏振光。本發明中，轉折鏡的個數可以為4*N個，N = 1、2或3 ;4*N個轉折鏡在光路上位于全反鏡和輸出鏡之間，且各轉折鏡的中心均位于激光諧振腔的光軸上。法線與子午面平行的轉折鏡個數跟法線與弧矢面平行的轉折鏡個數相等，其中，有2*N個轉折鏡的法線與子午面平行，且相鄰兩個轉折鏡法線之間的夾角為90°，其余2*N個轉折鏡的法線與弧矢面平行，相鄰兩個轉折鏡法線之間的夾角也為90°，且4*N個轉折鏡的法線與光軸的夾角均為45°。激光工作介質7可以是氣體，固體或液體，它位于所有與全反鏡垂直的折疊臂上。 折疊臂是指折疊激光諧振腔內，光軸上，相鄰兩個鏡體之間的空間。事實上，本發明中，只要保證諧振腔以空間折疊的方式排布，法線平行于子午面和弧矢面的轉折鏡的個數相等，法線在同一平面內的兩個轉折鏡的法線夾角為90°，并且采用具有高反射率和高偏振選擇性的軸對稱光柵鏡作為全反鏡或采用具有部分反射率和高偏振選擇性的軸對稱光柵鏡作為輸出鏡，均能產生軸對稱偏振光。上述技術方案適用于不同輸出波長、不同種類的激光器所需的諧振腔鏡，其中，介質光柵鏡應用范圍廣，可適用于遠紅外、近紅外、甚至可見光波段的激光器。內軸錐金屬光柵鏡僅限于遠紅外輸出波長的激光器。下面以輸出波長為10. 6微米的CO2激光器為例，進一步詳細地說明上述技術方案的具體實現過程。實例1如圖16所示的介質光柵鏡具體結構，基底和光柵區均采用砷化鎵。Ct1為27. 94 毫米，(^2為22. 00毫米，(^為0.20毫米。多層介質膜的高折射率材料為硒化鋅，低折射率材料為四氟化釷，多層介質膜的層數為5層。光柵的周期Λ為6微米，光柵脊寬b為3 微米，改變光柵的深度h計算得到兩種偏振光的反射率曲線，如圖17所示。當光柵深度h 在1.50微米附近的區間A內(h大于1.40微米小于1.75微米)取值時，正入射的P偏振分量的反射率超過99. 0%，而正入射S偏振分量的反射率均小于53. 。同樣，當光柵深度h在3. 30微米附近的區間B內(h大于3. 25微米小于4. 25微米)取值時，正入射的P 偏振分量的反射率超過99. 0 %，而正入射S偏振分量的反射率均小于88. 41 %。可見，在光柵的深度取值在區域A、B中時，這種光柵鏡結構既具有高的反射率同時具有優良的偏振選擇性，適宜于作為激光諧振腔的尾鏡產生徑向偏振光。因此，在制作光柵的時候可以在區域 A、B中優選光柵的深度，使其一方面達到尾鏡的要求，另一方面偏振選擇性強，并具有較大的制造公差范圍。實例2如圖13所示的內軸錐金屬光柵鏡結構，基底和光柵區均采用紫銅。毫米，2.0毫米，b為11.0毫米。光柵的周期Λ為10微米，光柵脊寬b為5微米，改變光柵的深度h計算得到兩種偏振光的反射率曲線，如圖18所示。當光柵深度h在5. 20微米附近的區間C內(h大于5.1微米小于5. 3微米)取值時，金屬光柵對45°入射的P偏振分量的反射率超過97. 4%，于是內軸錐金屬光柵鏡對正入射的P偏振分量的反射率超過 94. 9%，而金屬光柵對以45°入射S偏振分量的反射率均小于65. 0%，于是內軸錐金屬光柵鏡對正入射的S偏振分量的反射率均小于42. 3%。可見，在光柵的深度取值在區域C中時，這種光柵鏡結構既具有較高的反射率同時具有優良的偏振選擇性，適宜于作為高功率 CO2激光諧振腔的尾鏡產生徑向偏振光。本發明不僅局限于上述具體實施方式
，本領域一般技術人員根據本發明公開的內容，可以采用其它多種具體實施方式
實施本發明，因此，凡是采用本發明的設計結構和思路，做一些簡單的變化或更改的設計，都落入本發明保護的范圍。
權利要求
1.一種用于產生高功率軸對稱偏振光的激光器，它包括全反鏡、輸出鏡、激光工作介質和泵浦源，激光工作介質位于與所有與全反鏡垂直的折疊臂上，泵浦源為射頻泵浦源、半導體激光器泵浦源或閃光燈泵浦源，其特征在于，它還包括4*N個轉折鏡，N = 1、2或3 ;4*N 個轉折鏡在光路上位于全反鏡和輸出鏡之間，且各轉折鏡的中心均位于激光諧振腔的光軸上，其中，2*N個轉折鏡的法線與子午面平行，且相鄰兩個轉折鏡法線之間的夾角為90°， 其余2*N個轉折鏡的法線與弧矢面平行，相鄰兩個轉折鏡法線之間夾角也為90°，且4*N個轉折鏡的法線與光軸的夾角均為45°。
2.根據權利要求1所述的激光器，其特征在于，激光器諧振腔的全反射鏡為偏振選擇鏡，偏振選擇鏡的中心位于激光諧振腔的光軸上，且鏡面垂直于光軸，偏振選擇鏡的刻蝕線為圓環，光柵區刻蝕圓環寬度均勻分布，光柵的刻線剖面為矩形。
3.根據權利要求2所述的激光器，其特征在于，偏振選擇鏡為介質光柵鏡。
4.根據權利要求3所述的激光器，其特征在于，介質光柵鏡它包括介質光柵、多層介質膜和基底；介質光柵的刻線與基底同心，光柵鏡刻蝕區的尺寸滿足關系Φ2 = ￠^2*!^其中，為基底直徑，Φ2為光柵刻蝕區圓環的直徑，L為基底上未鍍膜和未刻蝕光柵的圓環寬度；多層介質膜由高低折射率材料交替層疊而成；多層介質膜位于光柵和基底之間，光柵層厚度小于多層介質膜總厚度。
5.根據權利要求2所述的激光器，其特征在于，偏振選擇鏡為內軸錐金屬光柵鏡。
6.根據權利要求5所述的激光器，其特征在于，內軸錐金屬光柵鏡內軸錐的錐角為 90°，且軸錐的軸線與錐外圓臺垂直，并與諧振腔光軸重合，金屬光柵刻于內軸錐面上，垂直于內軸錐面，金屬光柵刻蝕線與軸錐同心，內軸錐金屬光柵鏡的尺寸滿足關系= (K+2*d，其中，(K為內軸錐金屬光柵刻蝕區錐底的直徑，軸錐金屬光柵刻蝕區錐頂的直徑，d為內軸錐金屬光柵鏡的刻蝕區高度。
全文摘要
本發明公開了一種用于產生高功率軸對稱偏振光的激光器，它包括全反鏡、輸出鏡、激光工作介質和泵浦源，激光工作介質位于所有與全反鏡垂直的折疊臂上，泵浦源為射頻、半導體激光器或閃光燈泵浦源，其特征在于，它還包括4*N個轉折鏡，N=1、2或3；4*N個轉折鏡的中心均位于諧振腔的光軸上，其中，2*N個轉折鏡的法線與子午面平行，且相鄰兩個轉折鏡法線之間的夾角為90°，其余2*N個轉折鏡的法線與弧矢面平行，相鄰兩個轉折鏡法線之間夾角也為90°，且4*N個轉折鏡的法線與光軸的夾角均為45°。全反射鏡為介質光柵鏡或內軸錐金屬光柵鏡。本發明具有結構簡單、輸出的軸對稱偏振光功率高、偏振度和光束質量好等特點。
文檔編號H01S3/081GK102157891SQ20111006761
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月21日 優先權日2011年3月21日
發明者李波, 楊揚, 王又青, 賀昌玉, 趙江 申請人:華中科技大學