RESONANT CAVITY STRUCTURE FOR GENERATING RADIAL POLARIZED LASER

本发明属于激光及光学技术领域，具体涉及一种用于产生径向偏振激光的谐振腔结构。

近来，随着全息、相干、光谱、光化学和加速器等技术的发展，对一些特殊的轴对称偏振激光如径向偏振激光的需求越来越大。另外，在激光加工中，尤其是在激光切割加工中，为保证线偏振(S-偏振或P-偏振)激光在不同加工方向上加工质量的均匀一致性，通常需将线偏振激光转转成圆偏振激光后再去进行加工，但该方法比较复杂，为此寻求一种既没有方向选择性，又具有比圆偏振激光更高的材料吸收率的激光源，就是激光加工产业界所追求的目标，而径向偏振激光正是具有这样特性的激光源。

目前用于直接产生轴对称径向偏振激光输出的方法有两种：

一是通过在激光器的谐振腔内引入具有偏振选择特性的光学元件，如采用具有径向偏振选择特性的光栅镜作为激光器的尾镜，来直接产生径向偏振激光输出。但光栅镜结构复杂，制作比较困难，而且在大功率工作条件下其使用寿命也难以得到保证。

二是首先得到线偏振激光或角向偏振激光输出，然后采用腔外光学系统来进行偏振态的转换，从而得到径向偏振激光。对激光器通常所产生的线偏振激光，在腔外采用旋波片光学元件，将线偏振光束转变为径向偏振光束，但像旋波片这样特殊的光学元件结构非常复杂，其制作也十分困难。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种结构更为简单且易于实现的用于产生径向偏振激光的谐振腔结构。

本发明采用的技术方案是：一种用于产生径向偏振激光的谐振腔结构，包括尾镜、第一等效1/2波片、第二等效1/2波片、窗口镜和三段增益区，所述三段增益区分别为第一增益区、第二增益区和第三增益区；所述第一等效1/2波片将第一增益区所在谐振 腔光程的尾端光轴与第二增益区所在谐振腔光程的首端光轴串接在一起；所述第二等效1/2波片将第二增益区所在谐振腔光程的尾端光轴与第三增益区所在谐振腔光程的首端光轴串接在一起，形成完整的谐振腔光程；所述尾镜和窗口镜分别位于谐振腔光程的首尾两端，所述三段增益区所在谐振腔光程的光轴相互平行，第一等效1/2波片的光轴与第二等效1/2波片的光轴之间的夹角为45度。

尾镜用来将谐振腔内的起始偏振态确定为角向偏振，通过等效1/2波片串接的相邻两个光轴形成两个夹角为45度的相交平面，这就意味着两个等效1/2波片的光轴之间的夹角也刚好为45度。在这种情况下，当光束依次通过这两个光轴交叉45度的等效1/2波片后，该入射光束的偏振方向刚好旋转90度，由于入射光束为角向偏振，那么通过此变换后就变成了径向偏振，此偏振态的部分光束经窗口镜输出后，偏振方向保持不变，输出的激光束即为径向偏振激光。

进一步地，所述尾镜和窗口镜分别位于第一增益区所在谐振腔光程的首端和第三增益区所在谐振腔光程的尾端。

进一步地，所述第一等效1/2波片包括具有高反射率和1/4波片相位延迟特性的两个偏振镜，两个偏振镜分别位于第一增益区所在谐振腔光程的尾端和第二增益区所在谐振腔光程的首端，两个偏振镜按入射光束与各自法线呈45度角位置放置。

进一步地，所述第二等效1/2波片包括具有高反射率和1/4波片相位延迟特性的两个偏振镜，两个偏振镜分别位于第二增益区所在谐振腔光程的尾端和第三增益区所在谐振腔光程的首端，两个偏振镜按入射光束与各自法线呈45度角位置放置。

四个具有1/4波片相位延迟特性的高反射率偏振镜，均按入射光束与各自法线成45度入射角位置放置，在实现增益长度串接的同时，两个一组刚好形成了两个等效1/2波片，均可使得通过它的光束的偏振方向发生旋转。

优选地，所述尾镜为与输出激光波长相匹配的光栅镜。

优选地，所述尾镜为锥角是90度的内锥镜。

当尾镜具有角向偏振选择特性时，通过上述技术方案，就可以直接得到径向偏振激光输出，这对于大幅提高激光切割加工的速度或效率具有十分重大的经济价值，也用于粒子加速器等研究，具有重大的科学意义。由于金属反射镜或金属内锥镜一般对S-偏振的反射率要高于对P-偏振的反射率，采用锥角为90度的内锥尾镜时可以很容易实现角 向偏振选择。

特别地，本发明所述尾镜采用一种用于选择角向偏振的激光器尾镜组件，包括固定在一起以光轴为中心旋转对称布置的内锥镜和外锥镜，内锥镜中心开有入射孔，所述外锥镜上设有外锥反射面和环形反射面，所述内锥镜上设有内锥反射面，所述内锥反射面与外锥反射面相对布置，所述内锥反射面、环形反射面、外锥反射面依次相接形成内部中空的多次反射组合结构，所述内锥反射面和外锥反射面的锥角均为90度。

进一步地，所述内锥反射面、外锥反射面和环形反射面上分别镀有金膜。反射面上渡金膜可进一步提高激光的反射率。

进一步地，所述环形反射面为垂直于光轴的平面。

进一步地，所述环形反射面为大曲率半径的球面或凹面。

进一步地，所述球面或凹面的曲率半径为10-30m。

更进一步地，所述内锥镜和外锥镜均为具有高反射率的金属铜镜。

上述尾镜(一种用于选择角向偏振的激光器尾镜组件)充分利用金属锥面反射镜对S-偏振光的反射率要高于对P-偏振光的反射率的特点，通过两个锥形反射面和一个环形反射面形成一个中空的多次反射组合结构，激光束射入组合镜后，在组合镜内多次反射后再按原路返回向外射出，经过在组合镜内的多次锥面反射后，S-偏振光保持很高的反射率，而P-偏振光则损耗较大，最终能在激光谐振腔内起振并维持的偏振态就只有角向偏振。将该组合镜用做谐振腔尾镜，就可以在腔内有效抑制P-偏振光，而仅让S-偏振光形成振荡，从而起到角向偏振选择的作用。

特别地，本发明所述尾镜还采用一种用于选择角向偏振的内锥W形组合镜结构，包括固定在一起以光轴为中心旋转对称布置的内锥镜和W形锥镜，所述内锥镜中心开有入射孔，所述内锥镜上设有内锥反射面，所述W形锥镜的反射面由位于中央区域的外锥面和外周区域的内锥面组成，所述内锥反射面与外锥面相对布置，所述内锥反射面、内锥面和外锥面依次相接形成内部中空的多次反射组合结构，所述内锥反射面、外锥面和内锥面的锥角均为90度。

进一步地，所述内锥反射面、外锥面和内锥面上分别镀有金膜。

进一步地，所述W形锥镜的外锥面与内锥面的交接处设有过渡区域。

进一步地，所述过渡区域为垂直于光轴的环形平面。

进一步地，所述过渡区域为分别与外锥面和内锥面相切的环形弧面。

更进一步地，所述内锥镜和W形锥镜均为具有高反射率的金属铜镜。

上述尾镜(一种用于选择角向偏振的内锥W形组合镜结构)充分利用金属锥面反射镜对S-偏振光的反射率要高于对P-偏振光的反射率的特点，通过三个锥形反射面形成一个中空的多次反射组合结构，激光束射入组合镜后，在组合镜内多次反射后再沿平行于入射光方向向外射出，经过在组合镜内的多次锥面反射后，S-偏振光保持很高的反射率，而P-偏振光则损耗较大，最终能在激光谐振腔内起振并维持的偏振态就只有角向偏振。将该组合镜用做谐振腔尾镜，就可以在腔内有效抑制P-偏振光，而仅让S-偏振光形成振荡，从而起到角向偏振选择的作用。

本发明所述的上述两种尾镜结构简单，偏振选择性好、抗损伤阈值高、对称性好、抗失调能力强，热稳定性能和机械性能优良，制作简单，成本低，可广泛应用于气体、固体和半导体激光器产生高功率、高纯度的角向偏振光。

本发明通过尾镜将腔内光束的起始偏振态确定为角向偏振，然后利用具有相位延迟特性的偏振镜将多个增益区串接，在实现增益长度串接的同时，又实现了偏振方向的旋转变换，从而直接得到径向偏振激光的输出。该谐振腔没有任何外部转换光学器件，结构简单，易于实现。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明另一视角的结构示意图。

图3为本发明的端面示意图。

图4为本发明偏振镜2和3组成的等效1/2波片17的示意图。

图5为本发明偏振镜4和5组成的等效1/2波片18的示意图。

图6为本发明由4个偏振镜所形成的两个等效1/2波片光轴交叉45度的结构示意图。

图7为本发明两个等效1/2波片的光轴交叉45度进行轴对称偏振转换的示意图。

图8为本发明两个等效1/2波片的光轴交叉45度进行轴对称偏振方向正交转换的原理图。

图9为一种用于选择角向偏振的激光器尾镜组件的结构示意图。

图10为图9所述尾镜组件中内锥镜的轴向剖视图。

图11为图9所述尾镜组件中内锥镜的主视图。

图12为图9所述尾镜组件中外锥镜的轴向剖视图。

图13为图9所述尾镜组件中外锥镜的主视图。

图14为一种用于选择角向偏振的内锥W形组合镜结构示意图。

图15为图14所述组合镜中内锥镜的轴向剖视图。

图16为图14所述组合镜中内锥镜的主视图。

图17为图14所述组合镜中W形锥镜的轴向剖视图。

图18为图14所述组合镜中W形锥镜的主视图。

图19为金属铜镜对S-偏振光和P-偏振光反射率与入射角的关系曲线图。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明所述的轴对称偏振激光谐振腔结构，由具有轴对称偏振(角向偏振或者径向偏振)选择特性的高反射率尾镜1、具有1/4波片相位延迟特性的高反射率偏振镜2、3、4、5和具有部分反射部分透射特性的输出窗口镜6、以及相互平行的三段增益区组成。其中，三段增益区分别为第一增益区7、第二增益区8和第三增益区9，其各自所在光程的光轴分别为10、11、12，光轴10、11、12相互平行。具有高反射率的偏振镜2、3、4、5的入射光束和反射光束与其相应法线之间的夹角均为45度，并将第一增益区7、第二增益区8和第三增益区9所在的谐振腔光程有效地串接在一起形成完整的谐振腔光程，尾镜1和窗口镜6分别位于谐振腔光程的首尾两端，且其各自的中轴线分别与其所在的谐振腔光程的光轴同轴，尾镜1和窗口镜6的位置可以互换，效果相同，只是输出激光的位置和方向发生改变。具体的串接方式为：偏振镜2和3组成的第一等效1/2波片17将第一增益区7所在谐振腔光程的尾端光轴与第二增益区8所在谐振腔光程的首端光轴串接在一起；偏振镜4和5组成的第二等效1/2波片18将第二增益区8所在谐振腔光程的尾端光轴与第三增益区9所在谐振腔光程的首端光轴串接在一起，形成完整的谐振腔光程；即偏振镜2和3分别位于第一增益区7所在谐振腔光程的尾端 和第二增益区8所在谐振腔光程的首端，偏振镜4和5分别位于第二增益区8所在谐振腔光程的尾端和第三增益区9所在谐振腔光程的首端，尾镜1和窗口镜6分别位于第一增益区7所在谐振腔光程的首端和第三增益区9所在谐振腔光程的尾端，组成一个空间多折的激光谐振腔。激光在该谐振腔内振荡，并在第一增益区7、第二增益区8和第三增益区9中得到放大，然后部分激光通过窗口镜6透射出去形成输出激光13。三段增益区中的介质可以为各种激光增益材料，其截面密度分布具有轴对称均匀性。

如图2所示，本发明轴对称偏振激光谐振腔结构中，尾镜1用来将腔内起始偏振态确定为角向偏振，具有1/4波片相位延迟特性的高反射率偏偏振镜2和3的入射光束和反射光束与其各自法线均成45度放置在一起形成第一等效1/2波片，可将通过该波片的光束的偏振方向旋转一定的角度。同理，具有1/4波片相位延迟特性的高反射率偏振镜4和5形成第二等效1/2波片，也将产生同样的偏振方向旋转效果。等效二分之一波片，除可以用上面提到的两个具有1/4波片相位延迟特性的偏振镜组成外，还可以用多片1/8波片或其他波片组合而成。

如图2、3所示，在本发明的“∠”形空间多折激光谐振腔中，通过偏振镜2和3串接的光轴10和11所形成的平面15与通过偏振镜4和5串接的光轴11和12所形成的平面16相交于光轴11，两个平面呈“∠”形分布，并且这两个平面之间的夹角14为45度。这就意味着偏振镜2和3组成的第一等效1/2波片与偏振镜4和5组成的第二等效1/2波片的光轴之间的夹角刚好为45度。在这种情况下，当光束依次通过这两个光轴交叉45度的等效1/2波片后，该入射光束的偏振方向刚好旋转90度，由于入射光束为角向偏振，那么通过此变换后就变成了径向偏振，此偏振态的部分光束经窗口镜6输出后，偏振方向保持不变，即输出的激光束即为径向偏振特性。

如图4所示，具有1/4波片相位延迟特性的偏振镜2和3，当分别按入射角与其法线2′和3′成45度位置放置时，即构成了一个反射式倒行的第一等效1/2波片17。当入射光束19通过该波片后，出射光束20的偏振方向会发生一定角度的旋转。

同理，如图5所示，当入射光束20通过由具有1/4波片相位延迟特性的偏振镜4和5(其法线分别为4′和5′)构成的第二等效1/2波片18后，出射光束21的偏振方向也将发生一定角度的旋转。

如图6所示，图4中的第一等效1/2波片17的光轴所在平面15由光轴10和11所 确定，偏振镜2和3的法线2′和3′也落在该平面15上。同理，图5中的第二等效1/2波片18的光轴所在平面16由光轴11和12所确定，偏振镜4和5的法线4′和5′也落在该平面16上，平面15和平面16之间的夹角14为45度。

图7为图6系统的等效示意图。当光束19(其图示偏振态为角向偏振19′)通过第一等效1/2波片17后，相应出射光束20的偏振方向即发生一定角度的旋转。同理，当光束20再通过第二等效1/2波片18后，相应出射光束21的偏振方向也会发生一定角度的旋转。由于第一等效1/2波片17和第二等效1/2波片18的光轴17′和18′之间的夹角14刚好为45度，这就意味着：当光束19依次通过这样空间放置的第一等效1/2波片17和第二等效1/2波片18后，其出射光束20的偏振方向刚好旋转了90度，即其偏振方向由角向偏振18′变成了径向偏振20′。同理分析，上述偏振方向的转换过程是可逆的，如经窗口镜部分反射回腔内的径向偏振光束，再次经过该系统后，又将还原为角向偏振光束。

图8为两个光轴夹角为45度的1/2波片进行角向偏振和径向偏振相互转换的原理图。在xoy坐标系中，首先选择第一等效1/2波片17的光轴17′与y轴平行，当入射光束截面上任意一点A处的偏振方向为角向偏振且与第一等效1/2波片17的光轴17′之间的夹角为α时，通过第一等效1/2波片17后，其偏振方向即发生2α角度的旋转而变为E′，E′与光轴17′之间的夹角即为α。同理，当E′再通过第二等效1/2波片18后，其偏振方向也将发生2θ角度的旋转而变为，这里，θ为E′与第二等效1/2波片18的光轴18′之间的夹角；那么，第一等效1/2波片17和第二等效1/2波片18的光轴17′和18′之间的夹角即为(α+θ)。可见，入射光束依次经过第一等效1/2波片17和第二等效1/2波片18后，出射光束的偏振方向与入射光束的偏振方向之间的旋转角度共为2(α+θ)。显然，当第一等效1/2波片17和第二等效1/2波片18的光轴17′和18′之间的夹角(α+θ)选定为45度时，与之间刚好发生了90度的旋转，此即角向偏振的入射光束变成了径向偏振E_r的出射光束。同理，轴对称偏振(角向或径向)光束经过光轴交叉45度放置的等效1/2波片的偏振态的转换过程是互逆的，即当尾镜选择的起始偏振态为径向偏振时，该谐振腔也可输出角向偏振激光。

优选地，本实施例所述尾镜可以选用一种用于选择角向偏振的激光器尾镜组件，如图9-13所示，该尾镜组件包括固定在一起以光轴为中心旋转对称布置的内锥镜1.1.1和 外锥镜1.1.2，内锥镜1.1.1中心开有入射孔1.1.3。其中，内锥镜1.1.1只有一个内锥反射面1.1.4，外锥镜1.1.2由一个外锥反射面1.1.5和一个环形反射面1.1.6组成，内锥反射面1.1.4和外锥反射面1.1.5分别与环形反射面1.1.6的外边缘和内边缘相接。内锥反射面1.1.4、外锥反射面1.1.5和环形反射面1.1.6均为具有为高反射率的平面，三者以光轴1.1.7为中心旋转对称。内锥反射面1.1.4与外锥反射面1.1.5以相对的方式安装在一起，形成一个内部中空的多次反射组合结构。为保证入射的光线能够沿原路返回向外射出，内锥反射面1.1.4和外锥反射面1.1.5的锥角均为90°，即入射光线与内锥反射面1.1.4和外锥反射面1.1.5的夹角为45°，对45°入射的S-偏振光和P-偏振光的反射率稍高。内锥反射面1.1.4和外锥反射面1.1.5的锥角并不限于90度，两者相同也能达到同样效果。

内锥镜1.1.1与外锥镜1.1.2均为具有高反射率的金属铜镜，内锥反射面1.1.4和外锥反射面1.1.5对S-偏振光的反射率要稍高于P-偏振光的反射率。可以在内锥反射面1.1.4、外锥反射面1.1.5和环形反射面1.1.6表面镀金膜，来进一步提高激光反射率，也可以镀其他特殊偏振选择膜，来增大S-偏振光和P-偏振光的反射率差别，以提高偏振选择能力。环形反射面1.1.6对不同偏振态均具有高反射率，可以是垂直于光轴的平面，也可以是具有大曲率半径的球面或环形凹面，当其为球面或凹面时，曲率半径范围在10-30m内选择，具有较好的稳定性。

S-偏振光和P-偏振光的反射率差别将随着组合镜内的锥面反射次数的增加而变大。而锥面反射次数可通过组合镜的结构参数A、B、C来调整，其中，A为内锥反射面1.1.4的高度，B为环形反射面1.1.6的宽度，C为外锥反射面1.1.5的高度。本方案示例中，激光束1.1.8中的任意一路光线进入该组合镜后，将依次在内部反射面(1.1.5、1.1.4、1.1.5、1.1.4、1.1.6、1.1.4、1.1.5、1.1.4、1.1.5)上发生9次反射，然后按原路返回向外射出。其中，内锥反射面1.1.4和外锥反射面1.1.5上的反射次数为8次，将直接影响S-偏振光和P-偏振光的反射率差别。

优选地，本实施例的尾镜也可以选择一种用于选择角向偏振的内锥W形组合镜，如图14-18所示，包括固定在一起呈中心对称布置的内锥镜1.2.1和W形锥镜1.2.2，其中，内锥镜1.2.1是内锥结构，只有一个内锥反射面1.2.4，其中心区域开有入射孔1.2.3，作为激光束1.2.8的入口；W形锥镜1.2.2的中间部分为外锥结构，外周部分为内锥结构，其反射面由位于中央区域的外锥面1.2.5和外周区域的内锥面1.2.6组成，外锥面1.2.5 与内锥面1.2.6的交接处设有一个宽度为D的过度区域1.2.9，过渡区域1.2.9可以为垂直于光轴的环形平面，也可以为分别与外锥面1.2.5和内锥面1.2.6相切的环形弧面。该区域的设置主要是为了降低加工的难度，该过渡区域的宽度可根据加工工艺要求而适当调整，以便于制作。内锥反射面1.2.4、外锥面1.2.5和内锥面1.2.6均为具有为高反射率的平面，内锥反射面1.2.4与外锥面1.2.5以相对平行布置的方式安装在一起，内锥反射面1.2.4、外锥面1.2.5和内锥面1.2.6形成内部中空的多次反射组合结构，三者以光轴1.2.7为中心旋转对称。为保证入射的光线能够沿与入射光平行向外射出，内锥反射面1.2.4、外锥面1.2.5和内锥面1.2.6的锥角α均为90°，即入射光线与内锥反射面1.2.4、外锥面1.2.5和内锥面1.2.6的夹角均为45°。内锥反射面1.2.4、外锥面1.2.5和内锥面1.2.6的锥角并不限于90°，当内锥反射面1.2.4和内锥面1.2.6的锥角相同，且外锥面1.2.5和内锥面1.2.6的锥角互为补角时也能达到同样效果。

内锥镜1.2.1与W形锥镜1.2.2均为具有高反射率的金属铜镜，内锥反射面1.2.4、外锥面1.2.5和内锥面1.2.6对S-偏振光的反射率要稍高于P-偏振光的反射率。可以在内锥反射面1.2.4、外锥面1.2.5和内锥面1.2.6表面镀金膜，来进一步提高激光反射率，也可以镀其他特殊偏振选择膜，来增大S-偏振光和P-偏振光的反射率差别，以提高偏振选择能力。

S-偏振光和P-偏振光的反射率差别将随着组合镜内的锥面反射次数的增加而变大。而锥面反射次数可通过组合镜的结构参数A、H、C、D来调整，其中，A为内锥反射面1.2.4的高度，H为内锥面1.2.6的高度，C为外锥面1.2.5的高度，D为环形平面1.2.9的宽度。本实施例例中，激光束1.2.8中的任意一路光线进入该组合镜后，先在光轴1.2.7一侧完成5次反射，再进入对称的另一侧完成另外5次反射，即将依次在内部反射锥面(1.2.5、1.2.4、1.2.6、1.2.5、1.2.4、1.2.4、1.2.5、1.2.6、1.2.4、1.2.5)上发生10次反射，然后与入射光平行，并以光轴1.2.7对称的另一侧向外射出。

金属铜镜对S-偏振光和P-偏振光的反射率随入射角的变化曲线，这两种偏振光反射率的数学表达式分别为：R_s＝((n-cosθ)²+k²)/((n+cosθ)²+k²)和R_p＝((n-secθ)²+k²)/((n+secθ)²+k²)，其中，θ为入射角，n和k分别为反射面材料折射率的实部和虚部。对于平面反射铜镜，当入射角θ＝0°时，S-偏振光和P-偏振光的反射率没有差别。而对于相同金属铜材的内锥反射镜和外锥反射镜，当入射角θ＝45°时，此 时从图19中可明显看出，S-偏振光的反射率要高于P-偏振光的反射率，即R_s>R_p。因此，当S-偏振光和P-偏振光经过上述组合镜的金属锥面m次反射后，其总的反射率就分别为和即两种偏振光的反射率差别将随着反射次数的增加而越来越大。将本发明实施例所述两种组合镜(一种用于选择角向偏振的激光器尾镜组件和一种用于选择角向偏振的内锥W形组合镜)用做谐振腔尾镜，就可以在腔内有效抑制P-偏振光，而仅让S-偏振光形成振荡，从而起到角向偏振选择的作用。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。