正入射角锥偏振光的失偏测量与纠偏

任远 黄春晖

摘要：为解决角锥棱镜失偏效应，提出一种外加晶片的椭圆偏振光纠偏方案。总结角锥实棱倾斜时的修正公式，同时建立角锥在顺、逆时针反射次序下的纠偏模型。分析该模型表明利用两个半波片和一个延迟片可以使角锥的入/出射偏振态保持不变。根据上述模型，用1064nm波长的激光器，对实棱线竖直摆放的BK7玻璃角锥进行顺、逆时针纠偏实验。光波矢与水平方向的夹角在90°至0°之间变化，以获得不同的线偏振态，经纠偏后最大失偏椭圆率绝对值从35°纠正为5°。对于近圆偏振光，经纠偏后椭圆率从44°下降到40°。

关键词：角锥;偏振态;纠偏

中图分类号：O4363 文献标志码：A

引言

角锥棱镜能使任意方向入射的光线，经其三次内部反射后，光线的出射方向与入射方向平行。利用这一特性，将角锥棱镜用作激光器的后腔镜，可以使激光器在较大范围内不失调，譬如免调试固体激光器。但光束在依次进行棱镜内部三次全反射时，偏振面需要偏转一定角度，结果导致失偏，即输出光束与输入的偏振态不。对于单激光媒质来说，谐振器中光束的失偏会降低其Q值，降低激光器的效率。对于多激光媒质来说，角锥棱镜可用于激光束间的相干合成，提高合成效率，获得高能量密度的强激光，同时要求输出光束不产生失偏，以保证相干合成激光器的高Q品质。因此，如何使得角锥的输入和输出偏振态保持一致，也就是实现“保偏”，成为研制高性能相干合成固体激光器的关键。角锥棱镜共有6种传输路径，对于同一束入射光来说，每条反射路径引起的失偏也不同。实现角锥保偏，可使用折射率为1.22的材料，使得全反射后平行与垂直偏振分量相移相等，但折射率为1.22的材料难以寻找，而且折射率常常随着波长变化，因此保偏难以实现。目前角锥的保偏方式分为镀膜和外加晶片两种。对于镀膜保偏方式，李刚等H设计了光学保偏薄膜用于角锥保偏;Lee等利用相控涂层保持s或P输入的偏振态;Kalibjian研究了633～1550nm光谱范围内的14种金属镀膜的角锥棱镜的偏振特性;这些保偏方式均需要额外的镀膜工艺。对于外加晶片方式，李建民等利用角锥棱镜入射区域中存在一对正交的本征线偏振光，其被角锥棱镜反射后仍然是该方向线偏振光的原理，研制了折叠式角锥棱镜谐振腔激光器，但该保偏方式只能保持某对特殊的偏振态;彭堂超等使用3片1/4波片实现保偏，但该方案僅能用于线偏振态保偏。本文提出一种利用两个半波片、附加延迟器的角锥纠偏方案，该方案不仅适用于正入射下线偏振的保偏，还可以用于椭圆偏振态保偏。理论和实验证明该方案确实可行。

1正入射角锥的琼斯矩阵

以图1（a）和1（b）角锥摆放方式研究偏振特性，定义光坐标系，棱BA始终竖直，定义为s方向，光线方向K垂直入射面ABC，定义P=sxK，面AOC记为1，面AOB记为2，面BOC记为3，Q'对应面ABC中心，反射次序定义如图1（c）所示，实/虚线为两反射面边界及其对称像，称为实/虚棱。依据光线入射角锥的反射方向只分为顺、逆时钟两种，以123对应逆时针反射次序、321对应顺时针反射次序作为偏振特性研究基础。

对BK7玻璃材料角锥，使用中心波长1064 nm的光纤激光器作为光源，采用NewPort公司生产的压电旋转电机AG-PR100旋转1/4波片和偏振片改变偏振态，其旋转精度为1”（5urad）。用Thorlabs公司生产的偏振态测量仪PAX 1000分别测量顺、逆反射方式下无保偏时入射角周期变化的线偏振态的出射结果，以及采用半波片与延迟器保偏的结果。实验装置原理如图5所示，u轴表示波片的光轴或线偏振片方向轴，θo表示沿K方向P轴顺时针转向u轴的夹角，角锥内部的反射路线用虚线表示。

图6为角锥未纠偏时，132和231反射方式下输入线偏振态时的输出结果，使用Stokes参数表示，理论结果用实线表示，空心圆点是每20个实验数据点取平均值。从图中可以看到实验与理论基本符合，图6（a）中实验与理论的最大值有误差，是由角锥实棱AO'垂直摆放偏差引起，图6（b1中实验与理论的周期有误差，是由于实验中输入的线偏振角速度非均速导致。

纠偏前后的结果如图7所示。为直观比较对失偏角锥的纠偏程度，使用方向角（灰）和椭圆率（黑）描述，入射偏振态依次为：偏振方向与P轴夹角从90°变为0°的线偏振光，左、右旋圆偏振光。其中，线偏振光源经过1/4波片得到圆偏振光;再通过逆时针方向旋转的偏振片后，当测得S1为1、S2为0时标记为人射线偏振态角180°或0°的位置，测得S1为-1、S2为0时为入射线偏振态角90°的位置，继续旋转偏振片即可得到夹角从90°变为0°的线偏振光。可以看到经过纠偏后，线偏振态最大失偏椭圆率绝对值从35°降低至5°，方向角跟随入射偏振态呈一条斜线。实验中入射近似圆的左右旋偏振光，椭圆率绝对值为44°，入射角锥后失偏仅为10°，经纠偏后椭圆率绝对值保持在40°，椭圆率仅下降40°;未纠偏时方向角依赖入射角锥的方式，经纠偏后因十分接近于圆偏振态，方向角倾向于随机方向。

4结论

本文利用角锥琼斯矩阵对应的实特征向量，给出一种外加晶片的角锥纠偏方案。利用旋转公式，给出倾斜角度下角锥的琼斯矩阵，同时证明对任意倾斜摆放角度的角锥，均可使用半波片和延迟器，实现所有反射次序下正入射角锥保偏。该方式依赖于折射率，因此可适用于较宽波长范围内的纠偏，与传统方式只能对线偏振态保偏相比，该方式可用于椭圆偏振光的保偏。这种纠偏方式为实现高性能偏振态保持的角锥腔固体激光器提供了参考。