专利名称：一种新型柱对称偏振光激光器的制作方法
技术领域：
本发明一种新型柱对称偏振光激光器，属光电子领域。本激光器中可以输 出柱对称偏振光激光，可应用于激光加工方面。
背景技术：
柱对称偏振激光分为两种， 一种是径向偏振激光(图i)，另一种是切向偏
振激光(图2)，图上箭头方向为激光电矢量方向。
在光泵浦激光增益介质Nd:YAG的过程中，增益介质除输出激光能量外， 不可避免地会产生热量，对于棒状增益介质来说，通常采用外围通水冷却的方 案对其进行冷却。这种泵浦及冷却结构导致了在增益介质的截面上温度呈梯度 分布，使得径向偏振光和切向偏振光产生两个不同的聚焦点，这就是Nd:YAG 增益介质的热致双折射效应。光学谐振腔内径向偏振光或切向偏振光如单独运 转，激光器则输出径向偏振激光或切向偏振激光。
根据国外大量研究结果表明在激光切割和钻孔方面，柱对称偏振光比其 它偏振光，如线偏振光和圆偏振光，具有更好的加工效果。目前，圆偏振激光 通常用于激光切割，而径向偏振激光的切割效果是圆偏振激光的两倍；对于激 光钻孔来说，在某些特定情况下，切向偏振激光有最佳的加工效果。
以色列人Inon Moshe等以半导体侧面泵浦Nd:YAG增益介质，通过在腔内 插入衍射小孔，在半对称腔和对称腔两种谐振腔结构上都实现了径向偏振光或 切向偏振光独立运转。采用半对称腔结构，全反腔镜尽量贴近增益介质，输出 腔镜取一定腔长，衍射小孔位于腔内靠近输出腔镜的位置，其工作区域位于谐 振腔coO-D曲线(oO为增益介质基模半径，D为光焦度)第一稳定区的上边界(上边界为泵浦功率大的边界，下边界为泵浦功率小的边界)，如图3所示；采用对 称腔结构，衍射小孔位于腔内靠近输出腔镜的位置，其工作区域位于谐振腔Q)O-D 曲线第二稳定区的上边界，如图4所示。当径向偏振光处于稳定区边界时，图3 中1所处区域以及图4中3所处区域，径向偏振光模体积远大于切向偏振光模 体积，谐振腔输出径向偏振激光；而当切向偏振光处于稳定区边界时，图3中2 所处区域以及图4中4所处区域，切向偏振光有大的模体积而径向偏振光处于 非稳定区无法起振，此时谐振腔输出切向激光。
发明内容
本发明提出一种新的实现柱对称偏振光激光运转方案，该方案以Nd:YAG 为增益介质，采用特殊设计的非对称腔结构可以实现径向偏振光或切向偏振光 运转。
本发明谐振腔的两臂腔长或两个腔镜采取特殊的非对称设计，使得切向偏 振光第一稳定区上边界对着径向偏振光非稳定区的最小值，此时切向偏振光模 体积极大而径向偏振光模体积极小或者通过设计使得径向偏振光第二稳定区的 下边界对着切向偏振光非稳区最小值，此时径向偏振光模体积极大而切向偏振 光模体积极小，切向偏振光无法起振，从而实现径向偏振激光运转。
众所周知，在以Nd:YAG为增益介质的谐振腔中，热致双折射效应导致径 向偏振光和切向偏振光产生两个不同的聚焦点，切向偏振光焦距fe和径向偏振 光焦距f;的理论比值fe/f;为1.2，实际测量值为1.35 1.5之间。这种不同的热 焦距导致径向偏振光和切向偏振光产生两个不同的稳定区曲线。另外，谐振腔 中两臂腔长的不一致或两个腔镜参数的不一致都会使谐振腔随泵浦功率变化出 现两个分离的稳定区。附图5为本发明的谐振腔结构图，Rl、 R2分别为腔镜5、腔镜6的曲率半 径，Ll、 L2分别为腔镜5、腔镜6距离Nd:YAG增益介质7主平面的长度。对 于径向偏振光，根据V.Magni的理论，谐振腔coO-D曲线中第一稳定区的上边界 位于Xl产l/ul，第二稳定区的下边界位于X2尸l/u2，其中ul=LlX(l-Ll/Rl)， u2=L2X(l-L2/R2)。而中间非稳区模体积最小值位于X3f (l/ul+l/u2)/2。对于切
向偏振光来说，假设切向偏振光焦距fe和径向偏振光焦距f;的实验测量比值fe/fr
为k，则切向偏振光第一稳定区的上边界位于Xl『k/ul，第二稳定区的下边界位 于X2e=k/u2。而中间非稳区模体积最小值位于X3e=kX(l/ul+l/u2)/2。
谐振腔设计时，首先使Xl『X3p得到ul/u2-2k—l，此时切向偏振光第一 稳定区的上边界最大值与径向偏振光中间非稳区模体积最小值对应，实验中减 小两臂腔长差别，可以使切向偏振光第一稳定区的上边界与径向偏振光中间非 稳区模体积最小值对应，切向偏振光模体积极大而径向偏振光极小且无法起振， 从而实现切向偏振激光运转，如图6所示区域。而如设计谐振腔，使X2产X3e， 得到ul/u2二k/(2-k)，此时径向偏振光第二稳定区的下边界最大值与切向偏振光 中间非稳区模体积最小值对应，实验中同时减小两臂腔长差别，可以使径向偏 振光第二稳定区的下边界与切向偏振光中间非稳区模体积最小值对应，径向偏 振光模体积极大而切向偏振光极小且无法起振，从而实现切向偏振激光运转， 如图7所示区域。
本发明不同于以色列人Inon Moshe的谐振腔设计，由于处于非稳定区的偏 振光模体积接近零，则腔内无需插入衍射小孔即可实现柱对称偏振光激光运转。
图1为径向偏振激光电矢量方向示意图；图2为切向偏振激光电矢量方向
5示意图；图3为半对称腔柱对称偏振激光工作区域coO-D曲线图，1为径向偏振 光工作区域，2为切向偏振光工作区域；图4为对称腔柱对称偏振激光工作区域 coO-D曲线图，3为径向偏振光工作区域，4为切向偏振光工作区域；图5为柱 对称偏振激光器谐振腔结构图，Rl、 R2分别为腔镜5、腔镜6曲率半径，Ll、 L2分别为腔镜5、腔镜6距离Nd:YAG增益介质7主平面的长度；图6为非对 称腔切向偏振激光工作区域coO-D曲线图；图7为非对称腔径向偏振激光工作区 域coO-D曲线图。
具体实施例方式
以下结合附图5对本发明的实施方式作进一步说明。
设定通过实验测得的fe/fr=1.3，腔镜5、腔镜6为平面镜，即Rl二oo、 R2 =oo，则当Ll/L2 = 1.6时，此时切向偏振光模体积最大值与径向偏振光模体积 最小值对应，实验中縮小L1/L2比值到约1.5时，获得切向偏振激光输出，激光 功率约12.7W。而当L1/L2:1.86时，径向偏振光第二稳定区下边界模体积最大 值与切向偏振光非稳区模体积极小值对应，实验中縮小L1/L2比值到约1.78时， 获得径向偏振激光运转，激光功率约14.1W。
权利要求
1. 一种新型柱对称偏振光激光器，其谐振腔由激光增益介质NdYAG晶体与谐振腔镜组成，其特征在于谐振腔的两臂腔长或两个腔镜采取特殊的非对称设计，使得切向偏振光第一稳定区上边界对着径向偏振光非稳定区的最小值，此时切向偏振光模体积极大而径向偏振光模体积极小，径向偏振光无法起振，从而实现切向偏振激光运转；或者通过设计使得径向偏振光第二稳定区的下边界对着切向偏振光非稳区最小值，此时径向偏振光模体积极大而切向偏振光模体积极小，切向偏振光无法起振，从而实现径向偏振激光运转。
全文摘要
一种新型柱对称偏振光激光器，属光电子领域。柱对称偏振光激光包括径向偏振激光和切向偏振激光。本激光器是以Nd:YAG为激光增益介质，利用Nd:YAG晶体的热致双折射效应，采取特殊非对称的谐振腔设计抑制其中一种偏振光的起振，而另一种偏振光则可以单独运转，从而输出径向偏振激光或切向偏振激光。本激光器中可应用于激光加工方面。
文档编号H01S3/08GK101465512SQ20071014405
公开日2009年6月24日 申请日期2007年12月19日 优先权日2007年12月19日
发明者斐 史, 康治军, 戴殊韬, 李锦辉, 林季鹏, 林文雄, 雄 江, 文 翁, 许灿华, 晖 郑, 黄见洪 申请人:中国科学院福建物质结构研究所