折叠式角锥棱镜谐振腔的偏振特性理论与实验研究

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1、第２２卷第７期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．７２０１０年７月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＪｕｌ．，２０１０文章编号：１００１４３２２（２０１０）０７１４９５０５折叠式角锥棱镜谐振腔的偏振特性理论与实验研究李建民，叶一东，廖原，易亨瑜，苏毅（中国工程物理研究院应用电子学研究所，四川绵阳６２１９００）摘要：建立了角锥棱镜的偏振模型，分析了角锥棱镜对入射线偏振光的偏振态的影响，分析表明角锥棱镜的单个入射区域存在特殊的偏振方向，该方向的线偏振光被角锥棱镜反射后仍然是线偏振光。利用角锥

2、棱镜的该特性设计了腔内存在线偏振光振荡的角锥棱镜激光谐振腔，能够使用电光开关调犙，在振动环境中具有较好的抗失调稳定性。研制了激光器样机并进行了实验，在重复频率为１０Ｈｚ时，输出激光单脉冲能量大于３００ｍＪ，光束质量因子β值在２左右，实验结果也表明角锥棱镜的棱和顶点并不影响输出激光的光束质量。关键词：角锥棱镜；偏振；角锥棱镜谐振腔；琼斯矩阵中图分类号：ＴＮ２５文献标志码：Ａ犱狅犻：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１０２２０７．１４９５在使用环境比较恶劣的情况下，机械振动、温度变化等不确定因素会使激光器腔镜的平行度产生变化，

3、从而导致激光器输出功率下降、光束质量变差，严重时甚至导致激光器无法工作。为了解决这个问题，国内外做了大量研究。武汉军械士官学校采用角锥棱镜作为激光器的腔镜解决了激光器在强振动和冲击环境中光束质［１］量和可靠性差的难题。但是直接将角锥棱镜作为腔镜存在一些缺陷：角锥棱镜有退偏效应，一般情况下不适［２］宜电光开关调犙，仅局限于被动调犙和声光调犙；对角锥棱镜的二面角加工精度要求很高。美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室（ＬＬＮＬ）研制的星载测距激光器利用角锥棱镜作为折叠镜，采用珀罗棱镜作为腔镜，巧妙利用［３］了角锥棱镜的偏振特性，能够

4、使用电光开关调犙压缩脉宽提高输出功率。但是珀罗棱镜谐振腔仍存在着失调灵敏方向，并且珀罗棱镜的棱不满足后向反射特性，这会导致激光器的输出光束有一字形暗纹，棱边的衍射也会影响激光器的光束质量。本文分析了角锥棱镜的偏振特性，设计了一种角锥棱镜谐振腔结构，这种谐振腔能够使用电光开关调犙，角锥棱镜的棱和顶点不影响输出激光的光束质量。１角锥棱镜的偏振模型１．１坐标旋转矩阵和反射光学元件的琼斯矩阵在笛卡尔坐标系中，坐标系围绕狕轴旋转得到新的坐标系，迎着狕轴方向观察，逆时针旋转θ角，则坐标旋转矩阵为ｃｏｓθｓｉｎθ犚（θ）＝［］（１）

5、－ｓｉｎθｃｏｓθ由菲涅耳反射公式可知平面反射元件的琼斯矩阵为狉ｐ０犑＝［］（２）０狉ｓ狀２ｃｏｓ犻１－狀１ｃｏｓ犻２狀２ｃｏｓ犻１－狀２ｃｏｓ犻２式中：狉，狉，其中狀是入射方介质折射率，狀是折射方介质折射率，ｐ＝ｓ＝１２狀２ｃｏｓ犻１＋狀１ｃｏｓ犻２狀１ｃｏｓ犻１＋狀２ｃｏｓ犻２犻１是入射角，犻２是折射角。计算中假设角锥棱镜的反射面不镀膜，棱镜材料折射率取狀１＝１．４４９６３，空气折射率取为狀。当光线垂直于角锥棱镜的底面入射时，光线在３个直角面上的入射角相同，犻。２＝１１＝５４．７３６°１．２角锥棱镜的琼斯矩阵角锥棱

6、镜的形状相当于从立方体上切割下来的１个角，图１中犃犅犆犇犈犉犌犎是立方体，犃犑犓犐是角锥棱镜。设入射光的琼斯矢量为犈，分析偏振光沿犌犃方向入射到角锥棱镜，依次被犃犅犆犇，犃犅犉犈，犃犇犎犈这３ｉｎ［４８］个直角面反射过程中琼斯矢量的变化情况。为了讨论方便，取全局坐标系狕轴方向为犌犃，狔轴方向为犅犇，狓狔狕满足右手直角坐标系，见图１（ａ）。为收稿日期：２００８１１２０；修订日期：２００９０９１４基金项目：国家高技术发展计划项目作者简介：李建民（１９７８—），男，硕士研究生，主要从事光学设计研究；ｌｅｅｊｉａｎ

7、ｍｉｎ＠１６３．ｃｏｍ。１４９６强激光与粒子束第２２卷了满足菲涅耳反射公式的坐标关系，建立局部坐标系，犽为光线传播的方向，狊为垂直于入射面的方向，狊狆犽构成右手直角坐标系。文中局部坐标系的旋转角度是新旧坐标系狊方向的夹角，迎着光线传播方向观察，绕犽轴顺时针旋转时角度为负值，逆时针旋转为正值。Ｆｉｇ．１Ｒａｙｔｒａｃｅｔｈｒｏｕｇｈａｃｕｂｅｃｏｒｎｅｒｐｒｉｓｍ图１角锥棱镜内部反射光线追迹图光线入射到犐犑犓平面时，设局部直角坐标系的犽矢量方向为犌犃，狊矢量方向为犅犇，分别与全局坐标系的狕轴和狔轴重合，见图１（ａ）。入射

8、光经犐犑犓面折射后方向不变，仍沿犌犃方向入射到犃犅犆犇面上，局部坐标系也不发生变化，即局部坐标系旋转角度为０°。光线经犃犅犆犇面反射，入射面为犃犆犌犈。反射后光线沿犆犈方向出射。此时局部坐标系的犽矢量方向为犆犈，狊矢量方向为犅犇，出射光的琼斯矢量为犑犚（０°）犈。ｉｎ犆犈方向的光线入射到犃犅犉犈平面上，入射面为犎犈犅犆，为了能够使