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偏振在激光应用中的重要性

更新时间:2022-11-30  |  点击率:1507

偏振在激光应用中的重要性

光可以理解为由振荡的电场和磁场组成的横电磁波。光波中电场的方向由光的偏振来描述。包括太阳光、卤素灯和LED聚光灯在内的许多光源被认为是非偏振的,因为它们的电场方向在时间上随机波动。另一方面,激光源通常是线性偏振的。

理解激光的偏振对于许多应用是重要的,因为偏振影响反射、激光束的聚焦以及影响激光的最终应用的其他光学行为。虽然大多数激光源是线性偏振的,但也可以产生其他类型的偏振,例如圆形、椭圆形和径向偏振。偏振的基本原理在我们的偏振应用笔记中有所介绍,但本指南将深入探讨这些概念在激光应用中的具体应用。

激光源偏振

激光的偏振状态由激光增益介质或谐振腔的几种各向异性机制决定。“各向异性"是指其值在不同方向上变化的性质。激光增益介质可以是偏振相关的,如一些各向异性激光晶体和半导体光学放大器的情况。在该介质内,发射由进入的泵浦光子激发。受激发射光子将以与泵浦光子相同的偏振态发射。在没有偏振选择光学器件(例如偏振器和波片(也称为延迟器))的情况下,光将是非偏振的并且适合于某些应用。此外,由于包含布儒斯板或所涉及的任何其他光学部件的轻微未对准,谐振器中的损耗可能是偏振激光发射变化的原因。

偏振消光比(PER)(PER)可用于确定通过器件或系统(例如激光腔)传播后的偏振度。它是主偏振模式的光功率与正交偏振模式的光功率之比,其中这些模式中的每一个彼此垂直。这些极化通常被称为TE(横电)和TM(横磁)。Perper通常表示为两个正交偏振态的比率(例如100∶1,表示在主方向上偏振的光量是在正交方向上偏振的光量的100倍)。例如,Coherent®高性能OBIS™LX/LS激光系统的PERPER为100:1,而线性偏振Lumentum高性能氦氖激光器的PERPER为500:1。Perper也可以用分贝表示,其计算公式为:

(1) 

反射率的偏振依赖性

单个光波由构成p偏振态和s偏振态的两个独立的正交分量组成,这在利用光的某些偏振的反射和透射的应用中是至关重要的。对于p-偏振光,电场平行于界面的入射面,而对于s-偏振光,电场垂直于入射面(图1)。

图1:S-偏振和P-偏振的描述,它们是由它们相对于入射平面的方向定义的线性偏振。该图还显示了布儒斯特角,在该角度下,没有p偏振光在光学界面上反射。

当通过引入布鲁斯特角来处理两种介质之间的界面处的光传播时,理解这一点很重要。布儒斯特角是一个入射角,在该入射角处,p偏振光透射通过,而s偏振光在未涂覆的光学表面处被部分反射(图2)。该概念应用于激光腔中,以完/全传输光的p偏振分量,并通过反射为s偏振分量引入损耗。布儒斯特角可以由光传播通过的入射介质(N1)(N1)和另一介质(N2)(N2)的折射率来确定。

(2) 

图2:空气-玻璃光学界面的菲涅尔反射率与入射角的关系。对于P偏振,反射率在布儒斯特角(在这种情况下,~56°)处消失,而S偏振的反射率随着入射角的增加而稳定增加。

有许多光学元件利用布儒斯特角的概念用于有用的应用。布儒斯特窗口是以布儒斯特角定向的透明衬底,当光束以最小的光学损耗传播通过透明窗口时使用。例如,考虑具有密封玻璃管和外部平凸镜的氦氖(He-Ne)激光器。在玻璃管的末端是透明窗口,每次通过的损耗小于1%。当布儒斯特窗口被小心地放置在管的每一侧时,空气-玻璃界面处的反射率对于p偏振光来说是标称的,这证明它有利于防止谐振器内残余反射的干涉效应(图3)。p偏振和s偏振之间的相当大的损耗差异导致激光输出变为p偏振。

图3:He-Ne激光器的激光系统,其中两个布儒斯特窗口在激光谐振腔内具有相同的取向。p-偏振光被显著透射,引起激光发射的总体p-偏振取向。

与布儒斯特窗类似的是布儒斯板,通常将其插入偏振激光束中,使透射光以p偏振出射。然而,与布鲁斯特窗口不同,该板由共面表面组成。板引入了与板的厚度成比例的光束位置的平行移动(图4)。布儒斯特板经常应用于体激光器的激光谐振腔中,它会引入S分量的偏振损耗,并迫使激光束获得稳定的线偏振。

图4:当激光束以接近布儒斯特角的入射角通过布儒斯特板时,由于反射损耗,透射光束为p偏振,而反射光束为s偏振。

另一方面,零相移镜同等地反射p偏振和s偏振。这保持了入射激光束的偏振。

偏振相关F激光聚焦

激光束的偏振影响其聚焦方式。青格勒等人的研究2015年的研究表明,聚焦圆偏振光束在衍射极限处产生对称光斑,而线偏振光束聚焦成沿偏振方向延伸的细长光斑。在许多应用中,这些影响很小,可以忽略不计,但精确的应用需要考虑这些影响,以努力获得衍射极限的聚焦光斑。

偏振在激光应用中的应用

偏振激光输出可用于激光光学工业中的许多有用应用中。

偏振合束

也称为偏振耦合,该技术叠加多个线性偏振激光束,并可分为两个子类:相干和非相干偏振组合。

在相干偏振组合的情况下,两个相干光束的正交偏振态叠加,产生纯线性激光发射(图5)。这仅在两个注入光束是正交线性偏振的且相位差为δ=nπδ=nπ时才是可能的,其中NN是整数。由于该输出,该技术可以重复多次以增加激光发射的总功率,这也被称为功率缩放。该技术用于功率放大器激光系统。

图5:当两个相干激光束通过偏振光束组合器(PBC)传播时,它们被组合以产生新的线性偏振输出光束。

非相干偏振组合涉及通过偏振光束组合器(PBC)发送不同偏振的光束,以获得显示入射光束的组合光功率和几乎加倍的亮度的非偏振光束。该技术涉及偏振输入光束和非偏振发射,因此不适用于可重复的功率缩放。例如,一个垂直偏振光束和一个水平偏振光束可以通过薄膜偏振器发送,导致光束之一被反射而另一个被透射,两个光束在相同方向上传播。

相干合束可以应用于端面泵浦固态激光器,其中泵浦光沿着光束的方向而不是横向注入。由可以在两个偏振方向上吸收泵浦辐射的诸如Nd:YAG的材料制成的激光晶体可以利用该技术。例如,由以发射器的2D阵列布置以产生多千瓦输出功率的多个二极管条组成的二极管激光器堆遭受比单个二极管条的整体亮度更低的整体亮度。非相干偏振光束组合可以应用于叠层以提高亮度,这反过来又泵浦高功率固态体激光器。

双折射

双折射描述了发生在某些透明介质中的光学特性,其中折射率取决于光的偏振,从而导致光在材料中发生双折射。这种现象可能是由许多因素引起的,包括介质的晶体结构、材料固有的或诱发的应力场,以及额外电磁场的应用。

这种特性在称为双折射调谐器的装置中得到利用,双折射调谐器使传输的光学带宽变窄,并反射传播的腔内激光束的其它波长的光。调谐器以布儒斯特角放置,然后绕垂直于表面界面的轴旋转,以在变窄的透射波长处引起延迟。感兴趣的波长仅表现出p偏振分量,导致最小的或没有反射损耗。相反,其他波长受到不同的延迟,变为s偏振,并经历反射损耗。调谐器的倾斜角度会影响波长的偏移,以使功率损失最小,并在配备有千分尺螺钉的支架上进行调整,以进行精确修改。

入射角为布儒斯特角的单板调谐器能够通过激光束的s偏振分量的传输损耗产生波长相关的偏振变化。调谐器越厚,自由光谱范围越小,该自由光谱范围定义了两个透射最大值之间的光谱间隔,并提供更好的光谱分辨率。传播的激光束在滤波器内经历与其寻常光线和非常光线稍微不同的传播,其中前者不变地通过,而后者以一定角度折射。这导致双折射和对输出光束的不均匀重叠贡献。绕垂直于表面的轴旋转调谐器会改变传输曲线,并不可避免地改变光的异常分量的方向。

双折射调谐器也可以由多个板组成。额外数量的板允许激光器在目标损失最小的情况下工作。这是因为,通过增加板的厚度,自由光谱范围减小,并且波长范围上的透射最小值移动得更近。为了进一步增加不需要的波长的反射损耗,可以在板之间插入偏振器。这种具有一定限制板厚度的配置成为所谓的Lyot去偏振器,其对入射的多色偏振光进行去偏振。

倍频

非线性偏振的概念在倍频光纤激光器领域开始发挥作用。在使用Nd:YAG和其他非线性晶体作为激光介质的某些激光器中,倍频产生的波的光频率是泵浦光的两倍。



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