CN105393415B - 径向偏振薄片激光器 - Google Patents

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Abstract

一种径向偏振薄片激光器(100)，包括沿激光光路方向上依次排列的泵浦源(10)、准直透镜(20)、聚焦透镜(30)、激光增益介质(50)、布鲁斯特轴锥体(60)及输出透镜(70)，其中，所述布鲁斯特轴锥体(60)的锥面与底面的夹角为布鲁斯特角，所述激光增益介质(50)与所述底面相键合，所述激光增益介质(50)与所述输出透镜(70)形成激光谐振子腔(80)，所述泵浦源(10)发出的泵浦激光经过所述准直透镜(20)和聚焦透镜(30)后，聚焦于所述激光增益介质(50)，产生的光子在所述激光谐振子腔(80)内振荡，并最终从所述输出透镜(70)输出径向偏振激光束(90)。

Description

径向偏振薄片激光器
技术领域
本发明涉及激光器，特别是涉及一种带有增益介质的能够产生径向偏振激光的薄片激光器。
背景技术
薄片激光器是全固态激光器中的一种，自Adolf.Giesen等人1994年首次实现薄片激光器以来，其得到了迅速发展。薄片激光器采用厚度很小而横向尺寸较大的薄片状材料作为激光器的增益介质，即薄片增益介质。薄片激光器工作时需要对薄片增益介质进行散热。传统的薄片增益介质的冷却装置包括附着于薄片增益介质上的高热导率的紫铜热沉。紫铜热沉上设置有冷却介质微通道。由于薄片增益介质的面积很大、厚度很小，因此增益介质上的热量可以快速、有效的通过紫铜热沉传递给冷却介质微通道，再由冷却介质带走。薄片激光器具有可以高效导出增益介质内的热沉积、减弱增益介质的热透镜效应等优点，因此可以实现高功率、高效率、高光束质量的激光输出。由于薄片激光器具有上述优点，因此已广泛应用于国防军事、科学研究、工业生产等各个方面。
但是薄片激光器工作时，加载到薄片增益介质上的热量使得薄片增益介质的温度成高斯分布，即薄片增益介质中间部分的能量密度较高，从中间部分向四周扩散的部分的能量密度逐渐降低。从而导致薄片增益介质中间部分向外膨胀较大，形成类似倒扣的“碗状”变形，此即薄片激光器的热透镜效应。当薄片激光器高功率运行时，薄片增益介质的热透镜效应会影响激光器的输出功率、输出激光的稳定性及激光光束质量。当薄片增益介质膨胀变形超过材料的承受能力，甚至会导致薄片增益介质炸裂。
发明内容
基于此，有必要提供一种改善热透镜效应、提高输出稳定性的径向偏振薄片激光器。
一种径向偏振薄片激光器，包括沿激光光路方向上依次排列的泵浦源、准直透镜、聚焦透镜、激光增益介质、布鲁斯特轴锥体及输出透镜，其中，所述布鲁斯特轴锥体的锥面与底面形成的夹角为布鲁斯特角，所述激光增益介质与所述底面相键合，所述激光增益介质与所述输出透镜之间形成激光谐振子腔，所述泵浦源发出的泵浦激光经过所述准直透镜和聚焦透镜后，聚焦于所述激光增益介质，产生的光子在所述激光谐振子腔内振荡，并最终从所述输出透镜输出径向偏振激光束。
在其中一个实施例中，所述激光增益介质为掺杂浓度为5.0at％～15at％的Yb:YAG圆片，所述Yb:YAG圆片的厚度为0.2～0.5mm。
在其中一个实施例中，所述布鲁斯特轴锥体包括底座和与所述底座相连的锥体，所述激光增益介质与所述底座相键合，所述底座的厚度为所述Yb:YAG圆片的厚度的两倍。
在其中一个实施例中，所述布鲁斯特轴锥体的材料为YAG晶体，所述布鲁斯特角为61.2134°±2’。
在其中一个实施例中，所述布鲁斯特轴锥体的材料为石英，所述布鲁斯特角为55.4°±2’。
在其中一个实施例中，所示径向偏振薄片激光器还包括凹面反射镜组，所述凹面反射镜组设置在所述激光增益介质远离所述布鲁斯特轴锥体的一侧，未被所述激光增益介质吸收的泵浦激光经所述凹面反射镜组反射后，重新进入所述激光增益介质。
在其中一个实施例中，所述凹面反射镜组包括七片内反射镜和八片外反射镜，所述七片内反射镜与所述聚焦透镜排列成以所述布鲁斯特轴锥体的轴线为对称轴的内圆环，所述八片外反射镜排列成一个环绕所述内圆环的外圆环。
在其中一个实施例中，所述激光增益介质远离所述布鲁斯特轴锥体的一面设有对入射光高透、对出射光高反的第一双色光学膜，所述激光增益介质靠近所述布鲁斯特轴锥体的一面设有对出射光高透、对入射光高反的第二双色光学膜。
在其中一个实施例中，所述布鲁斯特轴锥体的底面和锥面分别设有出射光高透膜。
在其中一个实施例中，所示径向偏振薄片激光器还包括透镜座、泵浦头及第一密封盖，所述第一密封盖和所述泵浦头配合形成一个***述透镜座的泵浦腔，所述凹面反射镜组固定在所述透镜座上，所述第一密封盖内设有冷却液循环***。
在其中一个实施例中，所示径向偏振薄片激光器还包括散热装置、第二密封盖及输出镜筒，所述第二密封盖和所述输出镜筒配合形成一个***述激光增益介质和所述布鲁斯特轴锥体的输出镜腔，所述散热装置设置于所述第二密封盖的一侧，所述输出透镜设置在所述输出镜筒的一端，所述输出镜筒上设有冷却液循环***。
在其中一个实施例中，所述散热装置和所述第二密封盖上共同开设有指向所述激光增益介质的锥形孔。
在其中一个实施例中，所述泵浦源发出的泵浦激光的波长为940nm。
在其中一个实施例中，所述径向偏振激光束的波长为1030nm。
上述实施例的激光增益介质与布鲁斯特轴锥体的相互键合，能够改善薄片的热透镜效应，并能稳定地输出径向偏振的激光。
附图说明
通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将变得更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，且并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为一实施例的径向偏振薄片激光器的原理示意图；
图2为一实施例的径向偏振薄片激光器的剖视图。
图3为图2所示径向偏振薄片激光器的立体分解示意图。
图4为图3所示激光增益介质和布鲁斯特轴锥体的立体分解示意图。
图5为光子在布鲁斯特轴锥体与激光增益介质内外的传播路径示意图。
图6为940nm泵浦光光子能量高斯模式分布图。
图7为940nm泵浦光单次端泵长度为10mmYb:YAG晶体棒泵浦光子能量分布图。
图8为长度为10mm的Yb:YAG棒状晶体对940nm泵浦光的吸收函数图。
图9为940nm泵浦光单次端泵0.5mm厚的Yb:YAG薄片时泵浦光子能量分布图。
图10为Yb:YAG薄片晶体对940nm泵浦光的吸收函数图。
图11为凹面反射镜组和泵浦头的局部立体剖视图。
图12为凹面反射镜组和泵浦头的剖视图。
图13为凹面反射镜组和泵浦头的立体分解示意图。
图14为平面波入射空气与YAG介质的折射与反射示意图。
图15显示了光从空气进入YAG时的反射率随入射角θi的变化曲线。
图16显示了光从空气进入YAG时的透射率随入射角θi的变化曲线。
图17为径向偏振薄片激光器的光学谐振腔示意图。
图18为激光增益介质的冷却装置的剖视图。
图19为激光增益介质的冷却装置的立体分解示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
偏振是光的最基本的特征之一，常见的有线偏振光、椭圆偏振光、圆偏振光以及径向偏振光。由于径向偏振光的偏振方向具有完美的轴对称分布几何特性，使得它与线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光相比有着很多显著不同的特性。如径向偏振光具有沿光轴对称的电场分布以及中空的圆环形的光束结构；径向偏振光在高数值透镜聚焦时可以产生超越衍射极限的极小焦斑，比线偏振、圆偏振、椭圆偏振的聚焦光斑小的多，而且在焦点区域的纵向电场变的非常强；径向偏振光只有横向的磁场和沿轴纵向的电场；径向偏振光是偏振本征态，在C切向晶体中传播时，不会发生串扰。近年来，径向偏振光的这些特性得到了很多的应用。如在引导和捕捉粒子、粒子加速、提高显微镜的分辨率、金属切割以及提高存储密度等方面，随着人们对径向偏振光的不断深入的认识，它将在越来越多的领域得到应用。
请参阅图1、图2及图3，一实施例的径向偏振薄片激光器100包括沿激光光路方向上依次排列的泵浦源10、准直透镜20、聚焦透镜30、激光增益介质50、布鲁斯特轴锥体60及输出透镜70。泵浦源10输出的激光光束由光纤12传导并通过准直透镜20、聚焦透镜30，将激光焦点聚焦于激光增益介质50上，产生的光子在激光增益介质50与输出透镜70之间形成的激光谐振子腔80内振荡，并多次经过布鲁斯特轴锥体60，从而筛选出偏振状态为P偏振光的光子，最终从输出透镜70输出径向偏振激光束90。
泵浦源10的主要作用是作为光源产生泵浦激光。本实施例中，采用波长为940nm的激光二极管(LD)激光器作为泵浦源。
准直透镜20固定在带有冷却水接头24的准直透镜座22内。
请参阅图4，在本实施例中，激光增益介质50为掺杂浓度为5.0at％的Yb:YAG(Yb3+:Y3Al5O12)圆形薄片，其厚度为0.5mm。在其他实施例中，激光增益介质50的厚度也可以为0.2～0.5mm，掺杂浓度可以为5.0at％～15at％。Yb3+离子的主吸收峰有两个，分别位于938nm和970nm。在938nm处，具有长达18nm的吸收带宽，可作为激光二极管泵浦的泵浦带。强的荧光峰位于1030nm波长的泵浦能量弱吸收处，通常为激光输出波长。
在本实施例中，布鲁斯特轴锥体60的材料为YAG晶体，其包括底座62和与底座62相连的锥体64。底座62大致呈圆盘状，其与激光增益介质50键合在一起。为了方便键合晶体时的夹持，底座62的厚度为激光增益介质50的厚度的两倍，为1mm。在其他实施例中，底座62的厚度也可以为1～2mm。可以理解，如果采用其他方式将布鲁斯特轴锥体60与激光增益介质50相结合，底座62也可省略。本实施例中，锥体64为圆锥体。1030nm的光子在YAG晶体的折射率为1.82，锥体64的锥面与底面形成的夹角为布鲁斯特角，即θB＝61.2134°。本实施例中，布鲁斯特轴锥体60的材料也为石英，此时布鲁斯特角为θB＝55.4°。
在本实施例中，激光增益介质50远离布鲁斯特轴锥体60的一面S1上通过镀膜设有对入射光高透、对出射光高反的第一双色光学膜51。具体为940nm高透、以入射角为θ1＝32.4268°的1030nm高反的第一双色光学膜。对940nm的激光高透的目的是让940nm的泵浦光透过S1面对激光增益介质50进行有效的泵浦。Yb:YAG激光晶体与YAG晶体的折射率对波长为1030nm的光子的折射率都是一样，即为1.82，所以，泵浦激光从布鲁斯特入射点到激光增益介质50的S1面上发生全反射点是沿直线传播的。泵浦区域(或泵浦激光的聚焦焦斑)52会向各自方向激发1030nm波长的光子，当光子以布鲁斯特角θB＝61.2134°入射S4面，光会以入射角θi＝32.4268°入射S1面，故需要在S1面上镀上以入射角θi＝32.4268°的1030nm高反膜51，让泵浦光泵浦激光增益介质50激发的1030nm光子在激光增益介质50的S1面与输出透镜70之间来回振荡。
激光增益介质50靠近布鲁斯特轴锥体60的一面S2通过镀膜设有对出射光高透、对入射光高反的第二双色光学膜53。第二双色光学膜53具体为940nm高反、1030nm高透的双色光学膜。940nm高反是为了让940nm泵浦能量未被激光增益介质50吸收的光在S2面进行全反射，让泵浦光再次经过激光增益介质50，提高激光增益介质50对940nm的泵浦能量的吸收率。激光增益介质50的S1面和S2面是平行，需要1030nm波长的光子透过S2面抵达S1面，所以需要在S2面上镀上以入射角θi＝32.4268°的1030nm的高透光学膜，从而使得激光增益介质50的S1面与输出透镜70之间形成的激光谐振腔的1030nm的光子能够得到S1面与S2面之间的Yb:YAG激光泵浦区域52的增益而放大。
布鲁斯特轴锥体60的底座62的底面S3镀有以入射角为θi＝32.4268°，1030nm的高透膜61。目的是让来回振荡的光子几乎无损耗地经过这个面。
布鲁斯特轴锥体60的锥体64的锥面S4镀有以入射角等于布鲁斯特角的1030nm波长的高透膜63。
如图5所示的是激光光子在布鲁斯特轴锥体60与激光增益介质50内外的传播路径示意图。泵浦源10发出的940nm的泵浦激光通过准直透镜20、聚焦透镜30后，将焦斑聚焦于激光增益介质50的S1面上，没有吸收完的940nm泵浦光能量在S2面上进行发射出去，再次经过激光增益介质50，以提高泵浦光的吸收率。经过泵浦的激光增益介质50会向各个方向激发1030nm波长的光子，只有以角度为θi＝32.4268°入射的光子会依次通过激光增益介质50和布鲁斯特轴锥体60，从激光增益介质50的锥面S4以布鲁斯特角平行射出，平行射出的1030nm波长的光子经过激光平面输出透镜70的反射，沿原路返回，返回的光子以布鲁斯特角从空气入射到布鲁斯特轴锥体60。因Yb:YAG晶体与YAG晶体的折射率是相同的，所以，光子会折射透过布鲁斯特轴锥体60，沿直线方向依次透射穿过S3面、S2面，以角度为θi＝32.4268°入射到激光增益介质50的泵浦增益区域52，光子数量得到放大。由于S1面上镀了以入射角为θi＝32.4268°的1030nm高反射膜，光子在S1面上再次反射进入激光增益介质50的泵浦增益区域52，光子进一步放大。然后以角度为θi＝32.4268°沿直线传播依次进过S2面、S3面、S4面，在S4面以布鲁斯特角平行射出，平行射出的1030nm波长的光子经过激光平面输出透镜70的反射，沿原路返回，光子就这样在激光增益介质50的S1面与输出透镜70之间来回振荡，每次振荡都要经过泵浦增益区52，光子数量都会得到放大，当1030nm波长的光子增益大于腔内损耗时，便输出激光。
以下简要描述本激光器的泵浦原理。
本激光器使用的激光增益介质50是厚度为0.5mm、掺杂浓度为5.0at％的Yb:YAG薄片，采用波长为940nm的LD激光器作为泵浦源。940nm泵浦光光子能量分布如图6所示，泵浦光的光子分布呈高斯模式分布。
使用940nm的激光器对激光增益介质50进行泵浦时，Yb:YAG激光晶体作为增益介质会吸收泵浦能量，吸收函数为ηa＝1-exp(α*l)，α为吸收系数，l为Yb:YAG薄片的厚度或Yb:YAG晶体棒的长度。对于掺杂浓度为5.0at％的Yb:YAG薄片，940nm泵浦光的吸收系数α为5.6cm-1。
图7示出了940nm激光器泵浦长度为10mmYb:YAG晶体棒泵浦光子能量分布图，与其相对应的泵浦激光吸收量随Yb:YAG晶体棒的长度的吸收函数如图8所示。从图7、8可以看到，沿Yb:YAG晶体棒的轴向10mm处的940nm的光子几乎为零，表明采用940nm波长的激光器单次泵浦10mm长的Yb:YAG晶体棒，该Yb:YAG晶体棒可以将泵浦能量全部吸收，可以达到采用该激光晶体的激光器的激光输出功率最大化。
图9示出了940nm泵浦光单次端泵0.5mm厚的Yb:YAG薄片时泵浦光子能量分布图，与其相对应的泵浦激光吸收量随Yb:YAG薄片厚度的吸收函数如图10所示。图9、10可以看到，采用940nm激光器泵浦厚度为0.5mm的Yb:YAG薄片时，按照吸收函数为ηa＝1-exp(α*l)，α为吸收系数，l为Yb:YAG薄片的厚度，单次泵浦薄片对泵浦能量吸收ηa＝1-exp(α*l)＝1-exp(-0.56*0.5)＝24.42％，所以还有75.58％的泵浦能量未被吸收。从940nm光子在单次泵浦薄片时其光子分布可以明显看到大部分的泵浦光子未被吸收。图10可以看到，Yb:YAG薄片的厚度会影响泵浦光对其的吸收率，940nm激光器泵浦厚度为0.5mm、掺杂浓度为5.0at％的Yb:YAG薄片的吸收率为24.42％，而泵浦厚度为1mm、掺杂浓度为5.0at％的Yb:YAG薄片的吸收率为42.88％。
按照传统的薄片激光器的泵浦方式，即单次泵浦薄片未被吸收的泵浦光子经过另外一侧安装的一片全反射镜反射回来再度泵浦薄片增益介质一次，对于厚度0.5mm的Yb:YAG薄片来说，通过有效泵浦的长度约为薄片厚度的两倍，即1mm，其泵浦光的吸收率为42.88％，有超过一半(57.12％)的泵浦能量未被吸收。要提高径向偏振激光器的激光功率输出，就必须提高泵浦激光器能量的吸收。
为了提高吸收率，在本实施例中，在激光增益介质50的泵浦侧(即远离布鲁斯特轴锥体60的一侧)还增设了15片内镀940nm高反膜的凹面反射镜组40。请参阅图11，凹面反射镜组40包括七片内反射镜41和八片外反射镜43。七片内反射镜41与聚焦透镜30排列成以布鲁斯特轴锥体60的轴线为对称轴的内圆环。八片外反射镜43排列成一个环绕所述内圆环的外圆环。泵浦激光源10通过聚焦透镜30，将焦点聚焦于激光增益介质50上，未被吸收的泵浦光被激光增益介质50的S2面全反射进入到空气中，被凹面反射镜组40的15片凹面反射镜依次反射回激光增益介质50，采用这种泵浦结构(1片聚焦透镜+15片反射镜)，泵浦光将有31次(＝15*2+1)泵浦0.5mm厚的薄片，其泵浦有效长度近似为31*0.5＝15.5mm，则泵浦光的吸收ηa＝1-exp(α*l)＝1-exp(-0.56*15.5)＝99.98％，则说明泵浦光几乎完全被5.0at％的Yb:YAG薄片吸收，极大地提高了激光增益介质对泵浦光的吸收率，从而实现大功率径向偏振激光光束的输出。可以理解，凹面反射镜组40也可省略。
为了防止高能量的泵浦对光学镜片带来损伤，因此需要对凹面反射镜组40进行散热处理。请同时参阅图12和图13，本实施例的径向偏振薄片激光器100还包括透镜座42、泵浦头44及第一密封盖46。第一密封盖46大致呈圆盘形，泵浦头44的形状大致为第一密封盖46相配合的空心锥体。第一密封盖46和泵浦头44配合形成一个收容透镜座42的泵浦腔48。透镜座42大致为一个两层的圆盘，凹面反射镜组40固定在透镜座42上。具体的，七片内反射镜42与聚焦透镜30排列在透镜座42的内圈，八片外反射镜44排列在透镜座42的外圈。第一密封盖46与透镜座42之间形成供冷却水流通的通道462。第一密封盖46上还设有与该通道462相连的进水管接头464和出水管接头466，由此组成一个冷却液循环***。
以下对径向偏振光的产生进行进一步说明。
众所周知，光属于电磁波，如图14所表示，光作为平面波，入射空气与YAG介质的分界面上会发生光的反射与折射现象。图14中S(i)为入射光，S(r)为反射光，S(t)为透射光。布鲁斯特轴锥体60的材质为YAG晶体，相对于1030nm波长的光子，其折射率按1.82计算。根据菲尼尔公式得出的光从空气进入YAG或Nd:YAG介质发生折射和反射时的透射率和反射率的公式如下所示：
R//+T//＝1 (3)
R⊥+T⊥＝1 (4)
其中，T//为平行分量的透射率，T⊥为垂直分量的透射率，R//为平行分量的反射率，R⊥为垂直分量的反射率，θi为光入射轴锥体表面的入射角，θt为光折射进入轴锥体的折射角。
根据上述公式，当入射角θi＝61.2134°时，平行分量的反射率R//＝0，平行分量的透射率T//＝1，反射光中只有垂直分量，没有平行分量，θi＝61.2134°即为布鲁斯特角。如图15、图16，分别示出了光从空气进入Nd:YAG时的反射率随入射角的变化曲线和透射率随入射角的变化曲线。当光以布鲁斯特角θB由空气入射布鲁斯特轴锥体60时，在布鲁斯特轴锥体60的锥面上会发生光子的反射与透射现象，反射光全部由垂直分量S光子组成，而部分垂直分量S的光子和平行分量P的光子则通过透射从空气进入布鲁斯特轴锥体60。
如图17所示的是径向偏振薄片激光器光学谐振腔示意图，其中，“·”表示垂直分量光子即S偏振光，表示平行分量光子即P偏振光。940nm的泵浦光源通过聚焦透镜30将光斑聚焦于激光增益介质50，由于激光增益介质50与输出透镜70之间构成了法布里-珀罗光学谐振腔，激光增益介质50受泵浦激发以泵浦区域(泵浦光焦斑)52为中心向各个方向发射1030nm波长的光子。只有沿着如图5所示的激光谐振腔内光子在布鲁斯特轴锥体60与激光增益介质50内外的传播路径的光子才能在激光谐振子腔80内来回振荡。其他传播方向的光子因不具备在腔体内来回振荡的条件而被抑制掉。
在上述径向偏振薄片激光器中，进入激光谐振子腔80的1030nm波长的光子的偏振方向可以看成是光子的垂直分量(S偏振光子)和平行分量(P偏振光子)的矢量合成，携有垂直分量的光子和平行分量的光子经过输出透镜70的反射后，沿着原光路返回，以布鲁斯特角θB＝61.2134°由空气入射到布鲁斯特轴锥体60的锥面S4时，根据公式(1)、(2)、(3)、(4)的计算，垂直分量的反射率为28.75％，透射率为71.25％，平行分量的反射率为0，透射率为100％，无反射损耗；部分垂直分量和全部平行分量进入布鲁斯特轴锥体60，由于Yb:YAG激光晶体和YAG晶体的折射率的数值上相等，都为1.82，故上面提及到的光子可以透过S3、S2面沿直线传播到激光增益介质50的S1面。因S1面镀有1030nm波长的反射光学膜，部分垂直分量和全部平行分量的光子将在底面S1发生全反射沿直线传播由布鲁斯特轴锥体60的锥面S4以布鲁斯特角平行射出进入空气。光子以布鲁斯特角从空气进入YAG晶体和光子从YAG晶体以布鲁斯特角入射到空气，这个光学现象可以看成是光路可逆，即入射角和折射角互易，根据公式(1)、(2)、(3)、(4)，仍然有28.75％的垂直分量光子经过布鲁斯特轴锥体60与空气的分界面S4反射进入布鲁斯特轴锥体60里而损耗掉，而部分垂直分量的光子和全部平行分量光子则通过界面S4以布鲁斯特角折射到空气中去，这些光子在空气中沿直线传播到平面输出镜，光子从平面输出镜→轴锥体锥面S4→薄片面S1→轴锥体锥面S4→平面输出镜完成一次光子的振荡，在这个一次封闭振荡中，有两次机会在S4面发生光子的反射与折射(均与布鲁斯特角有关)，垂直分量将在S4面发生两次反射而损耗掉，而平行分量的光子则无损耗地透过折射进入布鲁斯特轴锥体60或空气中。简言之，光子在激光增益介质50的S1面和输出透镜70来回振荡一次都会经过布鲁斯特轴锥体60的锥面S4两次，锥面S4会使部分的垂直分量光子通过反射而损耗掉，而剩余的垂直分量光子和全部平行分量光子无损耗透射。如此来回振荡多次，最终会使垂直分量的光子损失殆尽，而平行分量则无损耗透射通过布鲁斯特轴锥体60，达到了抑制垂直分量的光子，筛选出在S1面与输出透镜70来回振荡的平行分量光子的作用。起振的平行分量光子每来回振荡一次都会两次经过泵浦区域52，因而其光子数量得到放大，当光子数量的增益大于其在腔内的损耗时，因轴锥体特殊的几何圆对称性，光学谐振腔便输出径向偏振激光光束90。
为了改善径向本激光器的激光增益介质50的热透镜效应，需要将940nm的LD激光器泵浦激光增益介质50时产生大量的热及时散掉。由于YAG晶体是热的良好导体，因此通过将布鲁斯特轴锥体60与Yb:YAG薄片进行键合，能够有效改善激光增益介质50的热透镜效应。
更进一步，在本实施例中，为了更有效地保护激光增益介质50、布鲁斯特轴锥体60和改善激光增益介质50的热透镜效应，可以在激光增益介质50的泵浦侧安装散热装置，将激光增益介质50产生大量的热量通过散热装置水冷的方式进行冷却。
请同时参阅图18和图19，本实施例的径向偏振薄片激光器100还包括散热装置72、第二密封盖74及输出镜筒76。第二密封盖74大致为圆环形，其内部设有冷却液循环***742。散热装置72通过螺钉固定设置在第二密封盖74的一侧。散热装置72的材料为紫铜，其表面开始有多条导热槽722，用于增加散热表面积，提高冷却效率。输出镜筒76大致为空心圆筒，其表面设有一圈圈的散热鳍片762。输出镜筒76的一端与第二密封盖74相配合形成输出镜腔73。激光增益介质50和布鲁斯特轴锥体60被固定在输出镜腔73的一端。散热装置72和第二密封盖74上共同开设有一个指向激光增益介质50的锥形孔724，以方便聚焦透镜30更好地将泵浦能量聚焦于激光增益介质50上。输出透镜70通过压环78固定在输出镜筒76的另一端。输出镜筒76的另一端还设有冷却液循环***764。
可以理解，本文提到的各种角度，包括入射角θi＝32.4268°、布鲁斯特角θB＝61.2134°，都可以有±2分的角度公差。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.一种径向偏振薄片激光器，其特征在于，包括沿激光光路方向上依次排列的泵浦源、准直透镜、聚焦透镜、激光增益介质、布鲁斯特轴锥体及输出透镜，其中，所述布鲁斯特轴锥体的锥面与底面形成的夹角为布鲁斯特角，所述激光增益介质与所述底面相键合，所述激光增益介质与所述输出透镜之间形成激光谐振子腔，所述泵浦源发出的泵浦激光经过所述准直透镜和聚焦透镜后，聚焦于所述激光增益介质，产生的光子在所述激光谐振子腔内振荡，并最终从所述输出透镜输出径向偏振激光束；
所述径向偏振薄片激光器还包括凹面反射镜组，所述凹面反射镜组设置在所述激光增益介质远离所述布鲁斯特轴锥体的一侧，未被所述激光增益介质吸收的泵浦激光经所述凹面反射镜组反射后，重新进入所述激光增益介质。
2.如权利要求1所述的径向偏振薄片激光器，其特征在于，所述激光增益介质为掺杂浓度为5.0at％～15at％的Yb:YAG圆片，所述Yb:YAG圆片的厚度为0.2～0.5mm。
3.如权利要求2所述的径向偏振薄片激光器，其特征在于，所述布鲁斯特轴锥体包括底座和与所述底座相连的锥体，所述激光增益介质与所述底座相键合，所述底座的厚度为所述Yb:YAG圆片的厚度的两倍。
4.如权利要求3所述的径向偏振薄片激光器，其特征在于，所述布鲁斯特轴锥体的材料为YAG晶体，所述布鲁斯特角为61.2134°±2’。
5.如权利要求3所述的径向偏振薄片激光器，其特征在于，所述布鲁斯特轴锥体的材料为石英，所述布鲁斯特角为55.4°±2’。
6.如权利要求1所述的径向偏振薄片激光器，其特征在于，所述凹面反射镜组包括七片内反射镜和八片外反射镜，所述七片内反射镜与所述聚焦透镜排列成以所述布鲁斯特轴锥体的轴线为对称轴的内圆环，所述八片外反射镜排列成一个环绕所述内圆环的外圆环。
7.如权利要求2所述的径向偏振薄片激光器，其特征在于，所述激光增益介质远离所述布鲁斯特轴锥体的一面设有对入射光高透、对出射光高反的第一双色光学膜，所述激光增益介质靠近所述布鲁斯特轴锥体的一面设有对出射光高透、对入射光高反的第二双色光学膜。
8.如权利要求7所述的径向偏振薄片激光器，其特征在于，所述布鲁斯特轴锥体的底面和锥面分别设有出射光高透膜。
9.如权利要求1所述的径向偏振薄片激光器，其特征在于，还包括透镜座、泵浦头及第一密封盖，所述第一密封盖和所述泵浦头配合形成一个***述透镜座的泵浦腔，所述凹面反射镜组固定在所述透镜座上，所述第一密封盖内设有冷却液循环***。
10.如权利要求2所述的径向偏振薄片激光器，其特征在于，还包括散热装置、第二密封盖及输出镜筒，所述第二密封盖和所述输出镜筒配合形成一个***述激光增益介质和所述布鲁斯特轴锥体的输出镜腔，所述散热装置设置于所述第二密封盖的一侧，所述输出透镜设置在所述输出镜筒的一端，所述输出镜筒上设有冷却液循环***。
11.如权利要求10所述的径向偏振薄片激光器，其特征在于，所述散热装置和所述第二密封盖上共同开设有指向所述激光增益介质的锥形孔。
12.如权利要求1所述的径向偏振薄片激光器，其特征在于，所述泵浦源发出的泵浦激光的波长为940nm。
13.如权利要求1所述的径向偏振薄片激光器，其特征在于，所述径向偏振激光束的波长为1030nm。
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