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立陶宛WOP的空間可變波片

消偏振補償器，偏振補償器，去偏振補償，一種增益介質(zhì)中去偏振補償?shù)姆椒?/span>

立陶宛WOP提供了一種解決去偏振損耗問題的新方案——去偏振補償器（消偏振補償器，偏振補償波片）。它是一個空間可變波片 (SVWP)，在了解去偏振水平、其來源和放大的激光束參數(shù)的情況下制造。

這種方法比其他方法更有利，例如腔內(nèi)四分之一波片、腔內(nèi)法拉第旋轉(zhuǎn)器、具有兩個相同泵浦和中繼成像增益介質(zhì)的經(jīng)典去偏振補償布局，以及不同的晶體切割方向。

由于精確逐點刻寫的納米光柵的特殊性能，我們的偏振補償波片（英文名：Depolarization Compensator）靈活多變，可根據(jù)客戶需求進行廣泛調(diào)整。

WOP消偏振補償器（Depolarization Compensator）的優(yōu)勢

       - 無吸收No absorption

- 非常低的散射Very low scattering

- 定制化、和連續(xù)的逐點模式continuous point by point patterns

- 最大功率提取可能性，不會造成光束質(zhì)量的額外下降

- 通過堆疊多個元件來靈活地補償不同量的去偏振

- 節(jié)省空間，易于操作

- 價格大幅降低

我們提出的去偏振補償方法——去偏振補償器（消偏振補償器，偏振補償波片，英文名：Depolarization Compensator）。與其他方法相比更有利，例如腔內(nèi)四分之一波片、腔內(nèi)法拉第旋轉(zhuǎn)器、具有兩個相同泵浦和中繼成像增益介質(zhì)的經(jīng)典去偏振補償布局，以及不同的晶體切割方向 。

與傳統(tǒng)的法拉第旋轉(zhuǎn)器相比，WOP空間可變波片（SVWP）的優(yōu)勢         

- 空間可變波片 (SVWP) 的基板是熔融石英，與法拉第旋轉(zhuǎn)器相比，對激光輻射的體積吸收低，非線性折射率顯著降低，從而最大限度地減少了高強度激光中的熱效應(yīng)和非線性相互作用；

- SVWP元件緊湊（厚度為6毫米，直徑通常為25.4毫米），而法拉第轉(zhuǎn)子材料的長度通常至少為 20 毫米；

- 有可能補償高泵浦增益介質(zhì)中的去偏振，而使用四分之一波片的簡單方法則無法做到這一點；

- 它對對齊和特定配置不太敏感；

- 它非常實用，因為可以通過改變?nèi)肷浼す馐笮』蛟谕还鈱W(xué)布局中堆疊幾個 SVWP 來調(diào)整誘導(dǎo)/補償去偏振水平。

WOP偏振損耗問題的新方案——去偏振補償器（消偏振補償器）Depolarization Compensator

高功率激光器增益介質(zhì)中的熱效應(yīng)會產(chǎn)生可預(yù)測的軸對稱溫度梯度。溫度梯度在泵送晶體中產(chǎn)生機械應(yīng)力，從而導(dǎo)致誘導(dǎo)雙折射，由于溫度熱梯度的存在會導(dǎo)致增益介質(zhì)內(nèi)部的折射率分布發(fā)生變化，引起熱致退偏效應(yīng)。

如果激光系統(tǒng)包含偏振敏感元件（例如布儒斯特板、法拉第旋轉(zhuǎn)器），則產(chǎn)生的光學(xué)各向異性會導(dǎo)致顯著的功率損耗。立陶宛WOP 與 Ekspla共同努力，基于 Ekspla的發(fā)明 EP3712664 (A1)，開發(fā)并驗證了解決去偏振損耗問題的解決方案——一種補償增益介質(zhì)中原始偏振失真的光學(xué)元件，偏振補償波片（消偏振補償器，英文名：Depolarization Compensator）。

研究了亞皮秒激光系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有基于光纖 CPA 的種子激光器 FemtoLux 30 ( Ekspla ) 和雙通端泵浦 Yb:YAG 晶體功率放大器。

該系統(tǒng)的主要創(chuàng)新之處在于使用專門設(shè)計的空間可變波片或 SVWP 應(yīng)用去偏振補償，這允許從這樣的放大器中提取幾乎最大的功率，而不會造成額外的光束質(zhì)量下降。

據(jù)我們所知，這種方法是除了他們應(yīng)用外。

去偏振補償器。左圖：快慢軸方向二維分布圖。右圖：延遲曲線。

以下是文獻資料：

使用消偏振補償器實現(xiàn)去偏振補償、熱致退偏效應(yīng)的一種補償方法 

立陶宛WOP與Ekspla有限公司研究了一種亞皮秒激光系統(tǒng)，采用光纖CPA的種子激光器FemtoLux 30和雙通端泵浦Yb:YAG晶體功率放大器。該系統(tǒng)的關(guān)鍵新穎之處在于使用一個特殊設(shè)計的空間可變波片(SVWP)進行去偏振補償，這允許從此類放大器提取幾乎最大功率，而不會導(dǎo)致額外的光束質(zhì)量下降。這種空間可變波片(SVWP)進行去偏振補償可稱為去偏振補償器。

Yb:YAG晶體是應(yīng)用于激光放大器的有效的Yb摻雜材料之一，具有高吸收和放大截面和高熱導(dǎo)率。雖然摻鐿Yb材料在被969 nm激光二極管泵浦時存在相當(dāng)小的量子缺陷，但如果激光系統(tǒng)中包含偏振敏感元件，則高泵浦增益介質(zhì)中的熱效應(yīng)會通過去偏振導(dǎo)致一定的功率損失。在高功率激光器的增益介質(zhì)中，熱效應(yīng)產(chǎn)生可預(yù)測的軸向?qū)ΨQ的溫度熱梯度。這些梯度在泵浦晶體中誘發(fā)機械應(yīng)力，導(dǎo)致折射率梯度分布和誘導(dǎo)雙折射。

雙折射軸向梯度場的徑向和切向方向，導(dǎo)致在放大器的輸入端形成初始偏早光的常見“三葉草"去偏振光束形狀。熱誘導(dǎo)應(yīng)力不僅會影響光束的空間輪廓，還會導(dǎo)致雙聚焦，從而破壞光束的聚焦性。這時，通過使用腔內(nèi)法拉第旋轉(zhuǎn)器，對激光棒中的去偏振和雙焦進行補償。雖然這些方法都在一定程度上起作用，但是存在去偏振在高泵浦增益介質(zhì)中沒有補償，容易受到熱效應(yīng)影響的缺點。

這些原因促使我們尋找一種新穎而實用的方法，在高泵浦增益介質(zhì)中減少去偏振和雙焦，以建立一個更高效的高峰值功率亞皮秒激光系統(tǒng)。

空間可變波片（SVWP）的研究

SVWP可以設(shè)計用于線性偏振或圓偏振入射光束。在這兩種情況下，都構(gòu)建了一個連續(xù)變化的納米光柵的快速軸向，并按切向方向的軸對中，如圖1所示。在每一點上連續(xù)形成徑向變化的延遲值。

 圖1：左圖，二維快、慢軸方向分布圖                            右圖，SVWP單元內(nèi)穿過虛線的延遲剖面圖

R(λ/2)標(biāo)記SVWP的等高線，其中相位延遲為λ/2, R(SVWP)標(biāo)記內(nèi)切雙折射圖的邊緣，R(el.)標(biāo)記元素玻璃基板的半徑。

此次，給出了用于去偏振補償?shù)?span style="margin: 0px; padding: 0px;">SVWP元件性能的數(shù)值，研究了線性或圓形輸入高斯光束偏振通過SVWP元件傳播的情況，計算了去偏振水平η與SVWP單元誘導(dǎo)的相位延遲δ的關(guān)系，并在圖2(下)中表示出來。補償誘導(dǎo)相位延遲所需的波束半徑與補償器半徑r/ R的比值如圖2(上)所示。圖中顯示了不同延遲δ值所需r/ R比的少數(shù)情況作為參考。

圖2：去偏振水平η與SVWP單元誘導(dǎo)的相位延遲δ的關(guān)系圖            

上是SVWP元件補償誘導(dǎo)相位延遲所需波束半徑與補償器半徑r/ R的比值；

下是波束去偏振水平對SVWP單元誘導(dǎo)相位延遲的依賴性；

虛線表示補償激光束中相應(yīng)相位延遲所需的比值r/ R的值；

插圖，圓偏振(上)和線性偏振(下)在SVWP元件誘導(dǎo)的不同相位延遲下的去偏振光束剖面。

如果在SVWP中將雙折射剖面反轉(zhuǎn)，就能夠給出了理想高斯光束在一定去偏振值下的SVWP參數(shù)。值得注意的是，在相同的相位延遲下，圓偏振情況下的去偏振是線偏振情況下的2倍，但所需的補償比保持不變。

SVWP元件的另一個方面是它對通過它的線偏振光束產(chǎn)生的固有散光，或圓偏振光束誘導(dǎo)的對稱聚焦。通過使用傅里葉變換方法和以下公式，將理想高斯光束傳播到SVWP中，并計算得到的波束陣面，從而實現(xiàn)建模。

E 0x、E 0y 為水平面和垂直面的輸入電場；

θ為參考偏振軸與局部雙折射軸的夾角；

β為線偏振光相對于水平面(x軸)的夾角；

1φ為水平面和垂直面電場的相位；

δ為偏振分量之間的誘導(dǎo)相位延遲。

研實驗設(shè)置與結(jié)論

亞皮秒高峰值功率和高重復(fù)率激光系統(tǒng)的實驗設(shè)置由一個原型版本的FemtoLux 30激光器進行，在1 MHz脈沖重復(fù)率下輸出功率為37 W，脈沖啁啾持續(xù)時間為~ 220 ps，帶寬為1λ = 3.3 nm(在FWHM)，中心為1030 nm。所研制的激光系統(tǒng)由基于PCA的定制激光FemtoLux 30作為種子源、DPSS Yb:YAG功率放大器和四通衍射光柵脈沖壓縮器組成。

由于相同的拋物型延遲剖面，通過改變?nèi)肷涞?span style="margin: 0px; padding: 0px;">SVWP元件上的種子束直徑，我們可以改變SVWP元件誘導(dǎo)的相位延遲，從而適應(yīng)不同的泵浦條件。這種方法方便了實驗靈活性，可以在不同的實驗布局中補償不同的去偏振量。利用延遲值為δ = 0.44λ (R = 1.5 mm)的SVWP來補償雙通道結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的去偏振和雙聚焦，它被放置在后反射面RM附近。如圖3所示。

圖3：完整的激光系統(tǒng)布局圖

使用標(biāo)準(zhǔn)的z掃描技術(shù)對光束質(zhì)量進行了表征，方法是使用具有明確焦距的正透鏡聚焦光束，并沿傳播方向跟蹤光束半徑的變化。z掃描的最佳擬合度為M2 ~ 1，表明幾乎衍射有限的光束質(zhì)量。如圖4所示。

壓縮脈沖由二次諧波產(chǎn)生的頻率分辨光學(xué)器件表征門控(SHG-FROG)自相關(guān)法。FROG算法(Swamp Optics)使用1024 × 1024網(wǎng)格檢索到的脈沖持續(xù)時間為318 fs，如圖5所示。

圖4：光束半徑測量圖                                             圖5：壓縮脈沖的包絡(luò)線測量圖

光束在第二次通過后被成像回放大器晶體，并通過偏光器P1進行耦合。測量了雙通放大、泵浦吸收和去偏振水平對種子功率的依賴性。結(jié)果顯示在圖6和圖7中。

在1 MHz脈沖重復(fù)率下，在37 W種子功率下實現(xiàn)了129 W的最大輸出功率(圖6)。對于280 W泵浦功率，它對應(yīng)32%的放大器效率。在較低的種子功率下，獲得16.7 dB的增益。圖7(右下圖)繪制了不同輸入種子功率水平下去偏振變化的依賴性。在小信號增益體制下，去偏振水平為4.2%，在37 W輸入功率去偏振水平達到17.9%。由此可知，去偏振水平取決于輸入種子功率。

圖6：平均輸出功率(紅色)和放大器總增益(黑色)對比圖              圖7：吸收泵浦和誘導(dǎo)去偏振η與輸入種子功率圖

最初，去偏振補償器被移除，以檢查Yb:YAG放大器晶體如何修改光束的空間和偏振特性。對放大后的光束進行z 掃描測量。信號波束由F = 200 mm的透鏡聚焦，放置在距離偏光器P1 1米的地方，并由CMOS相機捕獲沿聚焦波束燒灼(z掃描剖面)的波束半徑(在4西格瑪水平)。安裝去偏振補償器后，重復(fù)同樣的過程。在雙通放大器配置中，帶和不帶去偏振補償?shù)?span style=";padding: 0px">z掃描結(jié)果如圖8所示。

從輸出頻譜得到的變換受限脈沖持續(xù)時間為415 fs。從FROG中提取的殘留光譜相位在1024.3到1033.8 nm的光譜范圍內(nèi)為~ 2.3 rad，包含了98%的總脈沖能量。壓縮脈沖的時間Strehl比，定義為脈沖的實際峰值功率與帶寬受限脈沖的時間Strehl比為81%，表明具有較高的放大脈沖質(zhì)量。與83%的初始種子脈沖時間Strehl比相比，脈沖質(zhì)量較低限度地下降，而由于增益窄化效應(yīng)，脈沖帶寬從3.3 nm (FWHM)縮小到2.3 nm (FWHM)。在脈沖壓縮器中測量到的衍射和反射損失為約10%，導(dǎo)致總輸出功率為約116 W，而光束質(zhì)量沒有進一步下降，保持在M2 = 1.9?2.2。如圖9所示。

圖9：壓縮脈沖的包絡(luò)線與帶寬受限脈沖形狀比較圖

實驗總結(jié)

安裝去偏振補償器后，去偏振水平從17.9%降低到2.7%（圖8上圖可知），雙焦項最小化到安裝去偏振補償器后我們無法測量的水平。由于正確選擇了補償器參數(shù)，節(jié)省了大量輸出功率，并保持了對稱的光束形狀，由此產(chǎn)生的去偏振補償和雙焦降低效果明顯。

與其他方法相比，我們提出的方法更有益，如內(nèi)腔四分之一波板，內(nèi)腔法拉第旋轉(zhuǎn)器，帶有兩個相同泵浦和繼電器成像增益介質(zhì)的經(jīng)典去偏振補償布局，以及不同的晶體切割方向。

立陶宛WOP的空間可變波片