[发明专利]基于光束整形技术和空间合束系统的光偏振补偿装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用光束整形技术和空间合束系统将入射激光转换为偏振激光输出的光偏振补偿装置，属于光偏振补偿技术领域，可广泛应用于光束合成、非线性频率变换、偏振光学等领域。

背景技术

高亮度线偏振激光在激光通信、遥感遥测、工业加工、科学研究等领域有着广泛的应用。然而，受制于增益介质的热效应、非线性效应以及应力双折射效应等的影响，单个激光器很难获得高亮度线偏振激光输出。特别是在光纤激光器领域，由于光纤介质极细而长度较长，更容易受到外界干扰或产生弯曲，造成温度及应力分布导致偏振退化，造成线偏振激光的功率下降，严重影响其稳定性。目前普遍的解决方法有三种：一是采用全保偏器件，该方案价格昂贵，且难以实现高功率输出；二是采用偏振预补偿技术，在光纤激光放大器前端加入偏振控制器补偿偏振变化，该方案涉及偏振反馈系统，大大增加了激光器结构的复杂性；第三种是在激光输出后通过波片组合提高其消光比，该方案同样需引入反馈系统，且对非偏振激光并不适用。本发明采用末端补偿方式，在不影响激光器原有结构和功率水平的基础上，通过在激光器末端加入光束整形系统和空间合束系统，将任意消光比的激光补偿为偏振激光。

发明内容

本发明的目的是针对激光器的偏振补偿问题，旨在解决激光器偏振不稳定性和消光比低等问题，提出一种基于高占空比空间合束系统和光束整形技术的无损偏振补偿装置，在不影响激光器功率水平和光束质量的条件下将任意激光转换为高消光比偏振激光输出。本发明功率损耗很小，且不影响激光器本身结构，能有效降低线偏振激光器成本和复杂性，同时本发明控制方法简单，无需外加反馈及控制系统，性能稳定可靠。

本发明采用的技术方案为：一种基于空间合束系统和光束整形技术的光偏振补偿装置，主要包括输入光接口、偏振分束器、整形器、第一反射镜、旋波器、第二反射镜、空间合束器，待转换的入射激光由输入光接口导入并被扩束或缩束为光斑半径为ω的激光，经过偏振分束器后分为两路偏振方向正交的线偏振激光，其中一路线偏振激光经第二反射镜反射后射入空间合束器，另一路线偏振激光先经过整形器变换为内圆半径为ω₁的环形光束，然后经第一反射镜反射后进入旋波器，所述旋波器将该环形光束的偏振方向变换为与第一路偏振激光偏振方向相同后射入空间合束器，通过空间合束将两路偏振方向相同的激光合成为一束输出。上述装置能够将任意消光比的入射激光补偿为线偏振激光输出。

所述待转换的入射激光由待转换激光光源出射，可以是随机偏振光、部分偏振光或非偏振光。

如上所述的待转换激光光源可以为光纤光路的待转换激光光源，也可以为空间光路的待转换激光光源。

所述输入光接口，用于将入射激光导入后变换为光斑半径为ω的激光，ω的大小由整形器和空间合束器具体参数决定，可以针对待转换激光光源结构设计不同接口，具体采用以下两类结构实现：光纤准直器装置或可调扩/缩束镜头装置：

如上所述的光纤准直器装置适用于光纤光路的待转换激光光源，用于将输入光纤激光转换为半径为ω的空间激光输出，其结构可以为光纤/透镜组合或具有同类功能的其他装置。

如上所述的可调扩/缩束镜头装置适用于空间光路的待转换激光光源，用于将输入激光束宽变换至半径为ω的空间激光输出，结构可以为透镜组或具有同类功能的其他装置。

所述偏振分束器为格兰棱镜、镀偏振分光膜镜片或布儒斯特片及能够将入射激光分为两束偏振态正交的类似装置。

所述整形器用于实现从圆形光束到环形光束的变换，具体可以采用以下三种装置或具有同类功能的装置加以实现：几何光学装置、衍射光学装置或镀膜镜片装置：

如上所述的几何光学装置为单个双锥透镜、多个锥透镜组或锥形反射镜组，通过调节各个锥透镜的锥角或锥形反射镜之间的距离，使得出射环形光斑内圆半径为ω₁，ω₁一般略大于ω，ω₁的具体值根据采用的空间合束器种类和待转换入射激光的模式确定，以保证空间合束过程中两路激光同时具有最高的传输效率和占空比；

如上所述的衍射光学装置为涡旋相位片或径向光栅，此时整形器还必须实现一定的扩束功能，该功能通过采用扩束镜或由两个透镜组成的望远镜系统来实现，使得出射环形光斑内圆半径为ω₁，ω₁一般略大于ω，ω₁的具体值根据采用的空间合束器种类和待转换入射激光的模式确定，以保证空间合束过程中两路激光同时具有最高的传输效率和占空比；