固体激光热致退偏效应的一种补偿方法

王德良;赵刚;路英宾;高剑波;陈德章;刘韵;卿光弼;古鸿仁

【摘 要】为了消除热致退偏对激光输出的影响,分析了重频固体激光器中热致退偏产生的原因,采用了一种新型的、能有效补偿腔内热致退偏效应的腔型.由结果可知,重复频率从20Hz增大到50Hz时,输出激光光斑无明显变化,无畸变,激光输出能量未降低;在50Hz时注入9.6J,其动态输出111.24mJ的1064nm激光,电光效率为1.16%,输出稳定度达±1.85%.结果表明,该腔型对热致退偏有很好的补偿作用. 【期刊名称】《激光技术》 【年(卷),期】2008(032)006 【总页数】3页(P561-562,571)

【关键词】激光器;退偏补偿;热效应;Nd: YAG 激光器

【作 者】王德良;赵刚;路英宾;高剑波;陈德章;刘韵;卿光弼;古鸿仁 【作者单位】西南技术物理研究所,成都,610041;西南技术物理研究所,成

都,610041;西南技术物理研究所,成都,610041;西南技术物理研究所,成都,610041;西南技术物理研究所,成都,610041;西南技术物理研究所,成都,610041;西南技术物理研究所,成都,610041;西南技术物理研究所,成都,610041 【正文语种】中 文 【中图分类】TN248.1 引 言

脉冲固态激光器广泛应用于激光雷达系统、环境监测、测距系统等。通过电光调Q，Nd∶YAG激光器能够获得纳秒级脉宽的巨脉冲输出，高的输出峰值功率、好的光束质量是固体激光器问世以来人们一直孜孜以求的目标。其中一个关键的研究课题就是固体激光器的热管理问题[1]，包括两个方面：一方面是从根源上减少激射过程中的热的产生，如激光二极管抽运技术，直接抽运技术[2]，热助推抽运技术[3]，光学辐射平衡[4]等；另一个方面是从外部采用有效的方法来导出废热。但不管采用怎样的热管理技术，激射过程中产生的废热始终存在，不可能将其忽略，散热系统是激光系统中不可或缺的重要组成部分，高功率、大能量的固态激光器对散热问题提出了更为严峻的考验。在激光器运转中热的传导会在激光介质内形成热梯度、产生热应力，使得激光棒发生形变，从而形成热透镜效应[5-6]，另外由于热梯度的存在会导致激光介质内部的折射率分布发生变化，当激光器以线偏振光运转时，会引起热致退偏效应[7-8]。 1 热致退偏效应

在激光器运转过程中，抽运能量大部分都转化成热耗散在激光晶体中，抽运不均匀以及热传递等原因造成了晶体内部温度分布的不均匀，形成热应力，引起晶体折射率的分布不均匀，使得各向同性的激光介质变为各向异性。激光通过各向异性的折射率介质时，激光波前将发生畸变，线偏振光入射到有应力双折射的激光介质后将产生退偏效应。

对含有偏振元件的光腔，退偏损耗可表示为[9]: (1)

式中，Ct为与模式温度有关的系数，Pa为晶体吸收的抽运功率。

图1中的曲线表示平面平行光束在腔内的往返损耗，线偏振光同双折射激光棒和

起偏器的相互作用不仅大幅度地降低了激光功率,而且也使光束形状发生严重畸变，一般都会形成如图2所示的一系列光斑。

因此对退偏现象应进行必要的补偿，目的是使得激光棒晶体的截面上每一点的径向和切向偏振辐射都获得相等的相位迟滞，可通过两个相同激光棒之间或同一棒的连续光路中的偏振光束，交换径向和切向偏振分量来实现补偿，一般是在腔内插入偏振旋转器、λ/4波片等器件去实现退偏补偿，以往的消退偏的方法只使得一个偏振态的光起振，而舍弃了与之垂直的偏振态，本实验的目的是能使得互相垂直的两个偏振态同时起振。

Fig.1 Depolarization losses of different modes[10]

Fig.2 Output facula to lasers which has depolarization losses[11]

垂直纸面的偏振态(与起偏器偏振方向垂直)通过起偏器后反射到上方的全反射镜后经过石英晶体旋转器旋转后90°，偏振方向改变为平行于纸面，经过棱镜偏折后通过Q开关与起偏器反射回晶体中，实现自再现。

平行于纸面的偏振态(与起偏器偏振方向相同)透过起偏器后再通过LiNbO3，经棱镜偏折后，通过石英晶体旋转器偏振态实现90°旋转，偏振方向改变为垂直于纸面，经起偏器反射回晶体中，实现自再现。

该设计在达到较好的消退偏的同时能获得更大的能量输出，利于提高系统的整体电光效率。 2 实验装置

实验装置图如图3所示。实验中的晶体采用东骏激光公司的Nd∶YAG (111方向)，Nd的质量分数为0.012，尺寸为∅5mm×90mm，采用∅6mm×150mm高重频闪光灯，漫反射聚光腔，输出镜透射率为73%@1064nm，旋转器采用石英材料，将偏振光偏振方向旋转90°，电源是北京郎创光电科技公司PLⅡ型激光电源，YAG晶体与闪光灯采用水冷方式散热，斜块铌酸锂的斜角为布儒斯特角，该设计

能保证Q开关的有效封锁。

Fig.3 Compensation cavity for depolarization losses in flash pumped Nd∶YAG laser 3 实验结果

实验中设计的腔形，当重复频率从20Hz增大到50Hz时输出激光光斑无明显变化，无畸变，在20Hz时注入为9.6J，动态输出为81.7mJ，图4所示为重频20Hz时的输出光斑。

Fig.4 Dynamic output of normal cavity operation on 20Hz

当激光器工作于50Hz时，未对退偏补偿的情况下，光斑较差有明显的退偏现象，动态输出为73.2mJ，光斑如图5a所示，而用补偿腔后，在50Hz重频下获得的动态单脉冲输出为111.24mJ(由于该补偿激光腔对50Hz工作时的热效应做了一定的补偿，故50Hz为该激光器的最佳工作频率，输出要强于20Hz工作时的激光输出，测试设备是Coherent Molectron Energy Max400)，光斑未见与20Hz工作时有何明显变化，如图5b所示，电光效率为1.16%。

Fig.5 a—dynamic output of normal cavity operation on 50Hz b—dynamic output of compensation cavity operation on 50Hz

以上实验装置在工作3min取9000个平均时，得出单脉冲能量输出稳定度为±1.85%，该腔型对50Hz时的热致退偏做了补偿，在50Hz工作时的电光效率、输出稳定性以及光斑质量方面有显著的提高。 4 结 论

实验结果表明，该腔型的设计能够很好地对热致退偏进行补偿，当重复频率从20Hz增大到50Hz时，激光光斑无畸变，激光输出能量未降低，该腔型对LD抽

运全固态激光器也同样适用，为高重复频率、大能量LD抽运激光器提供了一条切实可行的补偿热效应的方案。 参考文献

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