單λ/4波片雙棒串接激光器的研究

李淥潔+++劉航

摘 要：文章提出了一種利用單塊λ/4波片對激光晶體的熱致雙折射效應(yīng)補(bǔ)償?shù)男滦碗p棒串接諧振腔結(jié)構(gòu)。采用瓊斯矩陣分析法，分析了四分之一波片對熱致雙折射效應(yīng)的補(bǔ)償作用，結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證含四分之一波片的雙棒串接諧振腔對熱致雙折射效應(yīng)的補(bǔ)償效果。

關(guān)鍵詞：四分之一波片；雙棒串接；熱致雙折射

雙棒串接激光器工作時(shí)，部分泵浦光轉(zhuǎn)換為熱量沉積于激光棒內(nèi)，激光棒表面熱量被冷卻水帶走，造成激光棒表面溫度低于內(nèi)部溫度，進(jìn)而引起激光棒內(nèi)的折射率發(fā)生改變，x軸偏振折射率與y軸偏振折射率不相等，這種現(xiàn)象為熱致雙折射效應(yīng)。由于熱致雙折射效應(yīng)的存在，激光束在激光諧振腔內(nèi)傳播，其偏振態(tài)發(fā)生了改變，進(jìn)而導(dǎo)致了輸出激光功率降低和光束質(zhì)量下降。為獲得高效率、高質(zhì)量的激光通常需要降低激光棒的熱致雙折射效應(yīng)對激光輸出的影響，即對雙折射效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償[1，2]。熱致雙折射效應(yīng)的原因，激光束經(jīng)過激光棒后，兩個(gè)正交偏振態(tài)產(chǎn)生位相差。激光束中兩個(gè)垂直偏振分量得到相同的相位延遲即為雙折射補(bǔ)償?shù)哪康?，最終達(dá)到無位相差的效果。采用交換兩個(gè)偏振分量方式補(bǔ)償熱致雙折射效應(yīng)，如激光棒與反射鏡間插入90°旋轉(zhuǎn)器[3，4]或雙棒間插入45°法拉第旋轉(zhuǎn)器[5]。本文提出單λ/4波片雙棒串接激光器，即在全反鏡與激光棒間插入λ/4波片。

1 理論

全反鏡與Nd：YAG晶體棒間放置λ/4波片。激光在諧振腔內(nèi)傳播一次，往返經(jīng)過λ/4波片兩次。假設(shè)激光棒1因雙折射效應(yīng)而引起的相位延遲為δ1，激光棒2因雙折射效應(yīng)而引起的相位延遲為δ2，則：

當(dāng)λ/4波片的快軸與x軸成45°角時(shí)，光束在λ/4波片串接腔內(nèi)往返一周的瓊斯矩陣M表達(dá)式為：

任意偏振態(tài)的入射光，經(jīng)過此結(jié)構(gòu)后出射光為：

由上式可得，入射光和出射光的x和y偏振分量進(jìn)行了交換；X和y偏振分量有相同的相位延遲，滿足雙折射補(bǔ)償條件，則雙折射效應(yīng)得到了補(bǔ)償。

2 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用如圖1所示的結(jié)構(gòu)。雙棒串接諧振腔采用對稱平面腔型。全反鏡和輸出鏡都是平面鏡。輸出鏡一面鍍反射率為80%的反射膜，另一面不鍍膜。Nd：YAG激光棒直徑為3mm，長度為65mm，摻雜濃度為1%。泵浦源的總輸出功率為180W。輸出鏡到激光棒1的距離為12cm，兩激光棒間距8cm，激光棒2到全反鏡距離12cm。在λ/4波片不同擺放角度下，單λ/4波片雙棒串接激光器的輸出功率，如圖2所示。

單λ/4波片雙棒串接激光器能對兩個(gè)激光棒的熱致雙折射效應(yīng)進(jìn)行充分補(bǔ)償。因此，本文提出的單λ/4波片雙棒串接激光器獲得高功率、高光束質(zhì)量的激光輸出的最佳方案。

參考文獻(xiàn)

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