光束偏振旋轉裝置及偏振旋轉方法

2023-05-11 08:34:41 2

專利名稱：光束偏振旋轉裝置及偏振旋轉方法
技術領域：
本發明涉及雷射系統，特別是一種用於雷射系統的光束偏振旋轉裝置及偏振旋轉方法，尤其是一種能夠滿足大口徑、超強、超短雷射系統光束偏振控制需求的光束偏振旋轉
裝直。
背景技術：
偏振旋轉裝置在雷射系統中得到了廣泛應用，例如，諧振腔中Q值的改變、放大鏈內光脈衝的捕獲與釋放、光束透反射的轉換等。作為雷射系統的核心器件之一，其在雷射種子源、放大鏈、測試系統、雷射應用系統等各種場合都發揮著不可替代的作用。目前，用於實現偏振旋轉控制的主要器件是半波片。通過改變半波片快軸與入射光束偏振方向的夾角來改變出射光束的偏振方向。最常用的方式是半波片快軸與入射光束偏振方向的夾角成45度，出射光束偏振方向相比於入射光束的偏振方向改變90度。依靠半波片改變光束偏振方向雖然結構簡單、調試方便，但受限於半波片本身特性，在許多應用中仍面臨一些困難，例如可用口徑有限，損傷閾值較低，對波長敏感，前後表面存在剩餘反射等。這些都阻礙了其在雷射系統，尤其是大口徑、超強、超短雷射系統中的應用。

發明內容
為了克服上述基於半波片的偏振控制器的上述缺點，本發明提供一種用於雷射系統的光束偏振旋轉裝置及偏振控制方法，該裝置具有易於實現大口徑、高損傷閾值、高信噪t匕、寬適用帶寬等特點，能滿足雷射系統，尤其是大口徑、超強、超短雷射系統光束偏振控制的需求。本發明的技術解決方案如下一種用於雷射系統的光束偏振旋轉裝置，其特點是該裝置包括第一零相移反射鏡、第二零相移反射鏡和第三零相移反射鏡，上述元部件的位置關係如下所述的第一零相移反射鏡、第二零相移反射鏡和第三零相移反射鏡同時垂直於第四平面，所述的第一零相移反射鏡、第二零相移反射鏡和第三零相移反射鏡的中心構成一個等腰三角形的頂點，所述的第一零相移反射鏡的反射面和第二零相移反射鏡的反射面朝外且分別平分所述的等腰三角形的底角，所述的第三零相移反射鏡與所述的第一零相移反射鏡的中心和第二零相移反射鏡的中心的連線的中垂線垂直，且第三零相移反射鏡的反射面朝向所述的中心連線並與所述的中心連線平行，第三零相移反射鏡的中心位於所述的中垂線上，所述的第一零相移反射鏡的中心和第二零相移反射鏡的中心的連線構成該裝置的參考光軸。利用上述光束偏振旋轉裝置對雷射光束的偏振方向進行旋轉控制的方法，其特點在於該方法包括如下步驟①將所述偏振旋轉裝置置於光路中，使所述的參考光軸與系統光軸重合；②將所述偏振旋轉裝置作為一個整體，繞所述參考光軸旋轉，使所述的第三零相移反射鏡的鏡面與入射光束的偏振方向平行，標記此時為O位；③將所述偏振旋轉裝置作為一個整體，繞所述參考光軸旋轉，當所述偏振旋轉裝置轉動一個角度Θ後，出射光束的偏振方向向相同的方向轉動2Θ的角度。本發明的技術效果是I、本發明光束偏振旋轉裝置，利用平面全反射式器件，當入射光束沿本發明光束偏振旋轉裝置的參考光軸方向入射時，入射光束經第一零相移反射鏡、第二零相移反射鏡和第三零相移反射鏡反射後輸出的光束方向保持不變，當該裝置繞所述的參考光軸旋轉一個角度Θ後，出射光束的偏振方向向相同的方向轉動2Θ的角度。在不改變輸入光束方向及橫向位置的前提下，可實現對光束偏振方向的任意旋轉；2、本發明可實現大口徑、高損傷閾值、寬帶寬、無剩餘反射的光束偏振旋轉功能，可有效地解決雷射系統、尤其是大口徑、超短、超強雷射系統中光束偏振的旋轉控制的問 題，解決了用半波片的口徑受限、損傷閾值受限、可用帶寬受限、剩餘反射降低信噪比等諸多問題。


圖I是本發明光束偏振旋轉裝置示意中101-參考光軸，102-第一零相移反射鏡鏡面與參考光軸的夾角α，103-第一零相移反射鏡，104-第一零相移反射鏡和第二零相移反射鏡的中心間距，105-第二零相移反射鏡，106第二零相移反射鏡鏡面與參考光軸的夾角α，107-出射光束，108-參考坐標系Y軸，109-參考坐標系X軸，110-第二零相移反射鏡的法線，111-第三零相移反射鏡中心到參考光軸101的距離，112-第三零相移反射鏡，113-第三零相移反射鏡的法線，114-第一零相移反射鏡的法線，115-入射光束，116-所述光束偏振旋轉裝置整體繞參考光軸101旋轉的旋轉標記。圖2是本發明用於雷射系統的光束偏振旋轉裝置對光束偏振方向旋轉的光路示意中201-參考光軸，202-入射光偏振方向，203-入射光，204-參考坐標系Y軸，205-參考坐標系X軸，206-第三零相移反射鏡法線與參考光軸Y軸夾角，207-出射光束，208-出射光束偏振方向，209-第二零相移反射鏡法線，210-參考坐標系Z軸，211-第三零相移反射鏡法線，212-第一零相移反射鏡法線，213-所述光束偏振旋轉裝置整體繞參考光軸201旋轉的旋轉標記。
具體實施例方式下面結合實例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護範圍。先請參閱圖I和圖2，圖I是本發明光束偏振旋轉裝置示意圖，圖2是本發明利用光束偏振旋轉裝置對雷射系統的光束偏振方向旋轉的光路示意圖，由圖可見，本發明光束偏振旋轉裝置，包括第一零相移反射鏡103、第二零相移反射鏡105和第三零相移反射鏡112，上述元部件的位置關係如下所述的第一零相移反射鏡103、第二零相移反射鏡105和第三零相移反射鏡112同時垂直於第四平面，所述的第一零相移反射鏡103、第二零相移反射鏡105和第三零相移反射鏡112的中心構成一個等腰三角形的頂點，所述的第一零相移反射鏡103的反射面和第二零相移反射鏡105的反射面朝外且分別平分所述的等腰三角形的所在的底角，所述的第三零相移反射鏡112與所述的第一零相移反射鏡103的中心和第二零相移反射鏡105的中心的連線的中垂線垂直，且第三零相移反射鏡112的反射面朝向所述的中心連線並與所述的中心連線平行，第三零相移反射鏡112的中心位於所述的中垂線上，所述的第一零相移反射鏡103的中心和第二零相移反射鏡105的中心的連線構成該裝置的參考光軸101。
利用所述的光束偏振旋轉裝置對雷射光束的偏振方向進行旋轉控制的方法，包括如下步驟①將所述偏振旋轉裝置置於光路中，使所述的參考光軸101與系統光軸201重合；②將所述偏振旋轉裝置作為一個整體，繞所述參考光軸101旋轉，使所述的第三零相移反射鏡112的鏡面與入射光束203的偏振方向202平行，標記此時為O位；③將所述偏振旋轉裝置作為一個整體，繞所述參考光軸101旋轉，當所述偏振旋轉裝置轉動一個角度Θ 206後，出射光束207的偏振方向208向相同的方向轉動2 Θ的角度。換一句話說，本發明光束偏振旋轉裝置，包括第一零相移反射鏡103、第二零相移反射鏡105和第三零相移反射鏡112，上述三塊反射鏡的位置關係如下在參考光軸101的光軸方向放置兩塊第一零相移反射鏡103、第二零相移反射鏡105，使其各自中心位於參考光軸101的光軸上，並使經過第一零相移反射鏡103的中心114、第二零相移反射鏡105的中心110位於參考坐標Y軸108和參考坐標X軸109構成的水平面內，兩塊第一零相移反射鏡103、第二零相移反射鏡105各自的法線114、110與參考光軸101的夾角相等，兩塊反射鏡103、105鏡的反射面向外(指定兩塊反射鏡之間為「內」)；在上述兩塊反射鏡103、105中心連線的垂直平分線上，位於所述兩塊反射鏡鏡面朝向的一側，放置第三零相移反射鏡112，並使其中心位於所述的垂直平分線上，經過該第三零相移反射鏡鏡面中心的法線113與上述中分線重合，該第三零相移反射鏡112鏡面朝向上述前兩塊反射鏡103、105的方向；所述第三零相移反射鏡112中心到參考光軸101的間距除以所述前兩塊反射鏡103、105中心距離104的一半所得值應與第一零相移反射鏡103鏡面與參考光軸101夾角102的2倍角的正切值相等。本發明的特點是I、利用三塊零相移全反鏡103、105、112，在不改變輸入光束101方向及橫向位置的前提下，實現了對輸出光束偏振方向208的任意旋轉；2、所述的全反射式光束偏振旋轉裝置可以實現大口徑、高損傷閾值、寬帶寬、無剩餘反射的光束偏振旋轉功能，其有效解決了雷射系統、尤其是大口徑、超短、超強雷射系統中，用於實現偏振旋轉的半波片的口徑受限、損傷閾值受限、可用帶寬受限、剩餘反射降低信噪比等諸多問題。利用所述的用於雷射系統的光束偏振旋轉裝置對雷射光束的偏振方向控制的方法，特徵在於包括如下步驟
①將所述偏振旋轉裝置置於光路中，使其參考光軸101與系統光軸201重合；②將所述偏振旋轉裝置作為一個整體，繞所述參考光軸101旋轉，使所述第三零相移反射鏡112的鏡面與入射光束203的偏振方向202平行,標記此時為O位；③將所述偏振旋轉裝置作為一個整體，繞所述參考光軸101旋轉，當所述偏振旋轉裝置轉動一個角度Θ 206後，出射光束的偏振方向208向相同的方向轉動2 Θ的角度。用三塊反射鏡實現光束偏振旋轉的主要原理如下光束經過反射鏡反射後的偏振旋轉狀態可用矩陣形式的反射定律描述Γ =RgI (I)式中，I為入射向量矩陣，I』為出射向量矩陣，R為反射矩陣。
權利要求
1.一種用於雷射系統的光束偏振旋轉裝置，其特徵是該裝置包括第一零相移反射鏡(103)、第二零相移反射鏡(105)和第三零相移反射鏡(112)，上述元部件的位置關係如下 所述的第一零相移反射鏡(103)、第二零相移反射鏡(105)和第三零相移反射鏡(112)同時垂直於第四平面，所述的第一零相移反射鏡(103)、第二零相移反射鏡(105)和第三零相移反射鏡(112)的中心構成一個等腰三角形的頂點，所述的第一零相移反射鏡(103)的反射面和第二零相移反射鏡(105)的反射面朝外且分別平分所述的等腰三角形的底角，所述的第三零相移反射鏡(112)與所述的第一零相移反射鏡(103)的中心和第二零相移反射鏡(105)的中心的連線的中垂線垂直，且第三零相移反射鏡(112)的反射面朝向所述的中心連線並與所述的中心連線平行，第三零相移反射鏡(112)的中心位於所述的中垂線上，所述的第一零相移反射鏡(103)的中心和第二零相移反射鏡(105)的中心的連線構成該裝置的參考光軸(101)。
2.利用所述的用於雷射系統的光束偏振旋轉裝置對雷射光束的偏振方向進行旋轉控制的方法，其特徵在於該方法包括如下步驟 ①將所述偏振旋轉裝置置於光路中，使所述的參考光軸(101)與系統光軸(201)重合； ②將所述偏振旋轉裝置作為一個整體，繞所述參考光軸101旋轉，使所述的第三零相移反射鏡(112)的鏡面與入射光束(203)的偏振方向(202)平行，標記此時為O位； ③將所述偏振旋轉裝置作為一個整體，繞所述參考光軸(101)旋轉，當所述偏振旋轉裝置轉動一個角度Θ (206)後，出射光束(207)的偏振方向(208)向相同的方向轉動2 Θ的角度。
全文摘要
一種用於雷射系統的光束偏振旋轉裝置及偏振控制方法，該裝置包括第一零相移反射鏡、第二零相移反射鏡和第三零相移反射鏡，三塊反射鏡的中心構成一個等腰三角形的頂點，所述的第一零相移反射鏡的反射面和第二零相移反射鏡的反射面朝外且分別平分所述的等腰三角形的底角，所述的第三零相移反射鏡與所述的第一零相移反射鏡的中心和第二零相移反射鏡的中心的連線的中垂線垂直，所述的第一零相移反射鏡的中心和第二零相移反射鏡的中心的連線構成該裝置的參考光軸。本發明具有易於實現大口徑、高損傷閾值、高信噪比等特點，能滿足雷射系統，尤其是大口徑、超強、超短雷射系統光束偏振控制的需求。
文檔編號G02B27/28GK102830500SQ20121033248
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月10日 優先權日2012年9月10日
發明者高妍琦, 曹兆棟, 楊學東, 馮偉, 劉海輝, 馬偉新, 朱儉, 戴亞平 申請人:上海雷射等離子體研究所