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］.本文對四分之一波片補償側(cè)泵Nd:YAG 激光器腔內(nèi)熱退偏損耗進行了實驗研究和分析.

1 四分之一波片補償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，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，在偏振片上會產(chǎn)生退片損耗.在上述過程中，位于Nd:YAG 激光棒x 軸上點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，不會產(chǎn)生熱退偏損耗;位于Nd:YAG 激光棒y 軸上的點，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，也不會發(fā)生熱退偏;而位于與x，y 夾角為45°極軸線上點的光束通過激光棒后，偏振狀態(tài)變化最大，會產(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，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，達到補償熱退偏的目標.從以上分析可以看出，上述技術(shù)方案只能對位于與x，y 夾角為45°極軸線上點的光線進行完全補償，所以該技術(shù)方案為非完全補償，由于位于與x，y 夾角為45°極軸線上點的光線所產(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 四分之一波片補償腔內(nèi)熱退偏損耗激光器示意圖

2 實驗裝置

四分之一波片補償腔內(nèi)熱退偏損耗實驗裝置如圖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，三個固定在無氧銅熱陳上的激光二極管bar 對稱的環(huán)繞在Nd:YAG 四周，在24A泵浦電流下，單個激光二極管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 實驗結(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償熱退偏損耗及有四分之一波片補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)四分之一波片對熱致雙折射效應(yīng)的補償作用，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，四分之一波片補償熱致雙折射為2.67 W，而沒有四分之一波片補償作用的諧振腔在20 A 時，輸出功率為2.5 W.從圖4 還可以看出，驅(qū)動電流大于19A 時，腔內(nèi)帶有四分之一波片補償熱退偏損耗的輸出功率增加速度要高于沒有補償作用的諧振腔，這也意味著繼續(xù)增大泵浦電流，四分之一波片補償熱退偏將會取得更顯著的效果.

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熱退偏損耗的補償作用下，其退偏率遠低于沒有補償作用的激光諧振腔的退偏率，且其退偏率上升速度也遠小于沒有四分之一波片補償作用的退偏率，這也進一步說明腔內(nèi)四分之一波片對于降低腔內(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

實驗研究了四分之一波片對于補償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，對于補償腔內(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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