四分之一波片補(bǔ)償熱退偏損耗實(shí)驗(yàn)研究

楊曉冬

(嘉應(yīng)學(xué)院 物理與光信息科技學(xué)院，廣東 梅州514015)

0 引言

線偏振固體激光器在變頻技術(shù)、高功率激光放大技術(shù)及電光調(diào)Q 脈沖技術(shù)領(lǐng)域有非常重要的作用［1～6］.由于激光介質(zhì)內(nèi)所存在的熱值雙折射效應(yīng)，激光器腔內(nèi)偏振元件上存在較大的熱退偏損耗，從而降低激光器輸出功率.在激光腔內(nèi)放置四分之一波片是補(bǔ)償腔內(nèi)熱致雙折射效應(yīng)，降低腔內(nèi)熱退偏損耗的簡單而有效的方法［7～10］.本文對(duì)四分之一波片補(bǔ)償側(cè)泵Nd:YAG 激光器腔內(nèi)熱退偏損耗進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和分析.

1 四分之一波片補(bǔ)償Nd:YAG 激光棒熱致雙折射效應(yīng)

Nd:YAG 激光棒吸收泵浦光，由于量子虧損效應(yīng)，一部分泵浦光能量轉(zhuǎn)化為熱沉積在激光棒內(nèi)，在外部冷卻水的作用下，在激光晶體內(nèi)形成沿半徑方向的溫度梯度，使激光棒內(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)力，造成沿半徑方向的折射率nr與沿切線方向的折射率nφ不相等，該現(xiàn)象即被稱為熱致雙折射現(xiàn)象.由于熱致雙折射現(xiàn)象的存在，當(dāng)與x 軸方向平行的線偏振光沿Nd:YAG 激光棒的軸線，通過長度為l 的時(shí)，線偏振光分解為沿半徑方向與沿切線方向的偏振光，徑向偏振光與切向偏振光間產(chǎn)生(nr-nφ)·l 的位相差，變?yōu)闄E圓偏振光.當(dāng)橢圓偏振光入射到透偏方向沿x 軸的薄膜偏振片時(shí)，在偏振片上會(huì)產(chǎn)生退片損耗.在上述過程中，位于Nd:YAG 激光棒x 軸上點(diǎn)光束電矢量沿切向分量為零，光束通過激光棒后，偏振狀態(tài)不發(fā)生改變，不會(huì)產(chǎn)生熱退偏損耗;位于Nd:YAG 激光棒y 軸上的點(diǎn)，光束電矢量徑向分量為零，光束通過激光棒偏振狀態(tài)也不發(fā)生改變，也不會(huì)發(fā)生熱退偏;而位于與x，y 夾角為45°極軸線上點(diǎn)的光束通過激光棒后，偏振狀態(tài)變化最大，會(huì)產(chǎn)生最大的熱退偏損耗.

圖1 熱致雙折射現(xiàn)象示意圖

圖2 為腔內(nèi)設(shè)置四分之一波片補(bǔ)償腔內(nèi)熱退偏激光器示意圖，四分之一波片位于全反射鏡與LD泵浦模塊之間.由輸出耦合鏡反射的線偏振光束通過長度為l 的Nd:YAG 激光棒后，徑向偏振光與切向偏振光間產(chǎn)生(nr-nφ)·l 的位相差，線偏振光變?yōu)闄E圓偏振光，橢圓偏振光透過四分之一波片，經(jīng)全反射鏡反射，再次透過四分之一波片，該過程中，光束兩次透過四分之一波片，四分之一波片相當(dāng)于二分之一波片，偏振光的偏振方向繞四分之一波片光軸方向旋轉(zhuǎn)2θ.位于與x，y 夾角為45°極軸線上點(diǎn)，光線徑向偏振光與切向偏振光偏振方向分別旋轉(zhuǎn)90°，從而使徑向偏振光與切向偏振光偏振方向互換，當(dāng)再次通過Nd:YAG 激光棒后兩束光產(chǎn)生-(nr-nφ)·l 的位相差，補(bǔ)償?shù)谝淮瓮ㄟ^激光棒所產(chǎn)生的(nr-nφ)·l 的位相差，保證光束的偏振方向仍然不變，達(dá)到補(bǔ)償熱退偏的目標(biāo).從以上分析可以看出，上述技術(shù)方案只能對(duì)位于與x，y 夾角為45°極軸線上點(diǎn)的光線進(jìn)行完全補(bǔ)償，所以該技術(shù)方案為非完全補(bǔ)償，由于位于與x，y 夾角為45°極軸線上點(diǎn)的光線所產(chǎn)生的退偏損耗最大，所以該技術(shù)方案也可以取得較為顯著的效果.

圖2 四分之一波片補(bǔ)償腔內(nèi)熱退偏損耗激光器示意圖

2 實(shí)驗(yàn)裝置

四分之一波片補(bǔ)償腔內(nèi)熱退偏損耗實(shí)驗(yàn)裝置如圖2 所示，圖中輸出耦合鏡M2 的透射率為5%.圖3 為圖2 中LD 側(cè)泵模塊結(jié)構(gòu)示意圖，Nd:YAG激光棒直徑為2 mm，三個(gè)固定在無氧銅熱陳上的激光二極管bar 對(duì)稱的環(huán)繞在Nd:YAG 四周，在24A泵浦電流下，單個(gè)激光二極管bar 發(fā)射808 nm 泵浦光的最大功率為20 W，模塊最大泵浦功率為60 W.

圖3 LD 側(cè)面泵浦模塊示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

利用圖3 所示激光器，分別測量了沒有四分之一波片補(bǔ)償熱退偏損耗及有四分之一波片補(bǔ)償熱退偏損耗兩種條件下，激光器輸出功率曲線，測量結(jié)果如圖4(a)所示.從圖中可以看出，由于腔內(nèi)四分之一波片對(duì)熱致雙折射效應(yīng)的補(bǔ)償作用，腔內(nèi)熱退偏損耗降低，其輸出功率高于腔內(nèi)沒有四分之一波片補(bǔ)償熱值雙折射的激光器的輸出功率，在泵浦電流為20 A 的條件下，四分之一波片補(bǔ)償熱致雙折射為2.67 W，而沒有四分之一波片補(bǔ)償作用的諧振腔在20 A 時(shí)，輸出功率為2.5 W.從圖4 還可以看出，驅(qū)動(dòng)電流大于19A 時(shí)，腔內(nèi)帶有四分之一波片補(bǔ)償熱退偏損耗的輸出功率增加速度要高于沒有補(bǔ)償作用的諧振腔，這也意味著繼續(xù)增大泵浦電流，四分之一波片補(bǔ)償熱退偏將會(huì)取得更顯著的效果.

圖4 激光器輸出功率曲線圖

腔內(nèi)光束退偏率是表示腔內(nèi)熱退偏強(qiáng)弱的量，可表示為

圖4 激光輸出功率曲線圖

式中，Pi表示由Nd:YAG 激光棒入射到薄膜偏振片上的激光功率，Pdep為薄膜偏振片所反射的S 偏振光的激光功率，T 為輸出耦合鏡的透射率.利用圖2所示裝置，我們分別測量了有和沒有四分之一波片補(bǔ)償?shù)募す庵C振腔光束退偏率，測量結(jié)果如圖4(b)所示.從圖中可看出在四分之一波片對(duì)熱退偏損耗的補(bǔ)償作用下，其退偏率遠(yuǎn)低于沒有補(bǔ)償作用的激光諧振腔的退偏率，且其退偏率上升速度也遠(yuǎn)小于沒有四分之一波片補(bǔ)償作用的退偏率，這也進(jìn)一步說明腔內(nèi)四分之一波片對(duì)于降低腔內(nèi)退偏損耗，提高激光器輸出功率具有較好的效果.

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)研究了四分之一波片對(duì)于補(bǔ)償Nd:YAG 側(cè)泵激光器腔內(nèi)退偏損耗的效果，研究結(jié)果表明，在激光諧振腔內(nèi)設(shè)置四分之一波片，對(duì)于補(bǔ)償腔內(nèi)熱退偏損耗，提高激光器輸出功率具有較為明顯的效果.

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