单λ/4波片双棒串接激光器的研究

李渌洁+++刘航

摘 要：文章提出了一種利用单块λ/4波片对激光晶体的热致双折射效应补偿的新型双棒串接谐振腔结构。采用琼斯矩阵分析法，分析了四分之一波片对热致双折射效应的补偿作用，结合实验验证含四分之一波片的双棒串接谐振腔对热致双折射效应的补偿效果。

关键词：四分之一波片；双棒串接；热致双折射

双棒串接激光器工作时，部分泵浦光转换为热量沉积于激光棒内，激光棒表面热量被冷却水带走，造成激光棒表面温度低于内部温度，进而引起激光棒内的折射率发生改变，x轴偏振折射率与y轴偏振折射率不相等，这种现象为热致双折射效应。由于热致双折射效应的存在，激光束在激光谐振腔内传播，其偏振态发生了改变，进而导致了输出激光功率降低和光束质量下降。为获得高效率、高质量的激光通常需要降低激光棒的热致双折射效应对激光输出的影响，即对双折射效应进行补偿[1，2]。热致双折射效应的原因，激光束经过激光棒后，两个正交偏振态产生位相差。激光束中两个垂直偏振分量得到相同的相位延迟即为双折射补偿的目的，最终达到无位相差的效果。采用交换两个偏振分量方式补偿热致双折射效应，如激光棒与反射镜间插入90°旋转器[3，4]或双棒间插入45°法拉第旋转器[5]。本文提出单λ/4波片双棒串接激光器，即在全反镜与激光棒间插入λ/4波片。

1 理论

全反镜与Nd：YAG晶体棒间放置λ/4波片。激光在谐振腔内传播一次，往返经过λ/4波片两次。假设激光棒1因双折射效应而引起的相位延迟为δ1，激光棒2因双折射效应而引起的相位延迟为δ2，则：

当λ/4波片的快轴与x轴成45°角时，光束在λ/4波片串接腔内往返一周的琼斯矩阵M表达式为：

任意偏振态的入射光，经过此结构后出射光为：

由上式可得，入射光和出射光的x和y偏振分量进行了交换；X和y偏振分量有相同的相位延迟，满足双折射补偿条件，则双折射效应得到了补偿。

2 实验

本实验采用如图1所示的结构。双棒串接谐振腔采用对称平面腔型。全反镜和输出镜都是平面镜。输出镜一面镀反射率为80%的反射膜，另一面不镀膜。Nd：YAG激光棒直径为3mm，长度为65mm，掺杂浓度为1%。泵浦源的总输出功率为180W。输出镜到激光棒1的距离为12cm，两激光棒间距8cm，激光棒2到全反镜距离12cm。在λ/4波片不同摆放角度下，单λ/4波片双棒串接激光器的输出功率，如图2所示。

单λ/4波片双棒串接激光器能对两个激光棒的热致双折射效应进行充分补偿。因此，本文提出的单λ/4波片双棒串接激光器获得高功率、高光束质量的激光输出的最佳方案。

参考文献

[1]朱广志，朱晓，朱长虹，等.具有退偏补偿及自选模功能的新型谐振腔[J].光学学报，2009，29（9）：2491-2498.

[2]童立新，高清松，蒋建锋.高功率二极管泵浦模块热效应补偿研究[J].强激光与粒子束，2005，17：125-128.

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[4]Susumu Konno， Tetsuo Kojima， Shuichi Fujikawa et al. High-brightness 138-W green laser based on an intracavity -frequency -doubled diode-side-pumped Q- switched Nd：YAG laser[J].Opt Lett， 2000，25（2）：105-107.

[5]James Sherman. Thermal compensation of a cw-pumped Nd：YAG laser[J].Appl Opt，1998，37（33）：7789-7796.