四分之一波片补偿热退偏损耗实验研究

杨晓冬

(嘉应学院 物理与光信息科技学院，广东 梅州514015)

0 引言

线偏振固体激光器在变频技术、高功率激光放大技术及电光调Q 脉冲技术领域有非常重要的作用［1～6］.由于激光介质内所存在的热值双折射效应，激光器腔内偏振元件上存在较大的热退偏损耗，从而降低激光器输出功率.在激光腔内放置四分之一波片是补偿腔内热致双折射效应，降低腔内热退偏损耗的简单而有效的方法［7～10］.本文对四分之一波片补偿侧泵Nd:YAG 激光器腔内热退偏损耗进行了实验研究和分析.

1 四分之一波片补偿Nd:YAG 激光棒热致双折射效应

Nd:YAG 激光棒吸收泵浦光，由于量子亏损效应，一部分泵浦光能量转化为热沉积在激光棒内，在外部冷却水的作用下，在激光晶体内形成沿半径方向的温度梯度，使激光棒内产生热应力，造成沿半径方向的折射率nr与沿切线方向的折射率nφ不相等，该现象即被称为热致双折射现象.由于热致双折射现象的存在，当与x 轴方向平行的线偏振光沿Nd:YAG 激光棒的轴线，通过长度为l 的时，线偏振光分解为沿半径方向与沿切线方向的偏振光，径向偏振光与切向偏振光间产生(nr-nφ)·l 的位相差，变为椭圆偏振光.当椭圆偏振光入射到透偏方向沿x 轴的薄膜偏振片时，在偏振片上会产生退片损耗.在上述过程中，位于Nd:YAG 激光棒x 轴上点光束电矢量沿切向分量为零，光束通过激光棒后，偏振状态不发生改变，不会产生热退偏损耗;位于Nd:YAG 激光棒y 轴上的点，光束电矢量径向分量为零，光束通过激光棒偏振状态也不发生改变，也不会发生热退偏;而位于与x，y 夹角为45°极轴线上点的光束通过激光棒后，偏振状态变化最大，会产生最大的热退偏损耗.

图1 热致双折射现象示意图

图2 为腔内设置四分之一波片补偿腔内热退偏激光器示意图，四分之一波片位于全反射镜与LD泵浦模块之间.由输出耦合镜反射的线偏振光束通过长度为l 的Nd:YAG 激光棒后，径向偏振光与切向偏振光间产生(nr-nφ)·l 的位相差，线偏振光变为椭圆偏振光，椭圆偏振光透过四分之一波片，经全反射镜反射，再次透过四分之一波片，该过程中，光束两次透过四分之一波片，四分之一波片相当于二分之一波片，偏振光的偏振方向绕四分之一波片光轴方向旋转2θ.位于与x，y 夹角为45°极轴线上点，光线径向偏振光与切向偏振光偏振方向分别旋转90°，从而使径向偏振光与切向偏振光偏振方向互换，当再次通过Nd:YAG 激光棒后两束光产生-(nr-nφ)·l 的位相差，补偿第一次通过激光棒所产生的(nr-nφ)·l 的位相差，保证光束的偏振方向仍然不变，达到补偿热退偏的目标.从以上分析可以看出，上述技术方案只能对位于与x，y 夹角为45°极轴线上点的光线进行完全补偿，所以该技术方案为非完全补偿，由于位于与x，y 夹角为45°极轴线上点的光线所产生的退偏损耗最大，所以该技术方案也可以取得较为显著的效果.

图2 四分之一波片补偿腔内热退偏损耗激光器示意图

2 实验装置

四分之一波片补偿腔内热退偏损耗实验装置如图2 所示，图中输出耦合镜M2 的透射率为5%.图3 为图2 中LD 侧泵模块结构示意图，Nd:YAG激光棒直径为2 mm，三个固定在无氧铜热陈上的激光二极管bar 对称的环绕在Nd:YAG 四周，在24A泵浦电流下，单个激光二极管bar 发射808 nm 泵浦光的最大功率为20 W，模块最大泵浦功率为60 W.

图3 LD 侧面泵浦模块示意图

3 实验结果及分析

利用图3 所示激光器，分别测量了没有四分之一波片补偿热退偏损耗及有四分之一波片补偿热退偏损耗两种条件下，激光器输出功率曲线，测量结果如图4(a)所示.从图中可以看出，由于腔内四分之一波片对热致双折射效应的补偿作用，腔内热退偏损耗降低，其输出功率高于腔内没有四分之一波片补偿热值双折射的激光器的输出功率，在泵浦电流为20 A 的条件下，四分之一波片补偿热致双折射为2.67 W，而没有四分之一波片补偿作用的谐振腔在20 A 时，输出功率为2.5 W.从图4 还可以看出，驱动电流大于19A 时，腔内带有四分之一波片补偿热退偏损耗的输出功率增加速度要高于没有补偿作用的谐振腔，这也意味着继续增大泵浦电流，四分之一波片补偿热退偏将会取得更显著的效果.

图4 激光器输出功率曲线图

腔内光束退偏率是表示腔内热退偏强弱的量，可表示为

图4 激光输出功率曲线图

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为薄膜偏振片所反射的S 偏振光的激光功率，T 为输出耦合镜的透射率.利用图2所示装置，我们分别测量了有和没有四分之一波片补偿的激光谐振腔光束退偏率，测量结果如图4(b)所示.从图中可看出在四分之一波片对热退偏损耗的补偿作用下，其退偏率远低于没有补偿作用的激光谐振腔的退偏率，且其退偏率上升速度也远小于没有四分之一波片补偿作用的退偏率，这也进一步说明腔内四分之一波片对于降低腔内退偏损耗，提高激光器输出功率具有较好的效果.

4 结论

实验研究了四分之一波片对于补偿Nd:YAG 侧泵激光器腔内退偏损耗的效果，研究结果表明，在激光谐振腔内设置四分之一波片，对于补偿腔内热退偏损耗，提高激光器输出功率具有较为明显的效果.

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