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補償的新型雙棒串接諧振腔結構。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的補償作用，結合實驗驗證含四分之一波片的雙棒串接諧振腔對熱致雙折射效應的補償效果。

關鍵詞：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，部分泵浦光轉換為熱量沉積于激光棒內，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部溫度，進而引起激光棒內的折射率發生改變，x軸偏振折射率與y軸偏振折射率不相等，這種現象為熱致雙折射效應。由于熱致雙折射效應的存在，激光束在激光諧振腔內傳播，其偏振態發生了改變，進而導致了輸出激光功率降低和光束質量下降。為獲得高效率、高質量的激光通常需要降低激光棒的熱致雙折射效應對激光輸出的影響，即對雙折射效應進行補償[1，2]。熱致雙折射效應的原因，激光束經過激光棒后，兩個正交偏振態產生位相差。激光束中兩個垂直偏振分量得到相同的相位延遲即為雙折射補償的目的，最終達到無位相差的效果。采用交換兩個偏振分量方式補償熱致雙折射效應，如激光棒與反射鏡間插入90°旋轉器[3，4]或雙棒間插入45°法拉第旋轉器[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。激光在諧振腔內傳播一次，往返經過λ/4波片兩次。假設激光棒1因雙折射效應而引起的相位延遲為δ1，激光棒2因雙折射效應而引起的相位延遲為δ2，則：

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

任意偏振態的入射光，經過此結構后出射光為：

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，滿足雙折射補償條件，則雙折射效應得到了補償。

2 實驗

本實驗采用如圖1所示的結構。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激光棒的熱致雙折射效應進行充分補償。因此，本文提出的單λ/4波片雙棒串接激光器獲得高功率、高光束質量的激光輸出的最佳方案。

參考文獻

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