基于L形空间折叠光栅镜谐振腔的高功率径向偏振激光产生机理和方法研究

The metal cutting efficiency of radial polarized laser is about twice the circular polarized laser. The project proposed a new method to produce high power raidal polarized laser using L-shaped space folded resonator and grating mirror in a fast-axial-flow CO2 laser. The fast-axial-flow CO2 laser has symmetry gain, and the polarization selection effect of folded mirrors can be eliminated in the L-shaped space folded resonator, the stable, high quality radial polarized laser can be got. More importantly, the grating mirror is stable and reliable. The gain equivalent model and diffraction integral theory are combined to establish an equivalent laser resonator model. The laser mode characteristics can be obtained by theoretical calculation. The influence on laser mode of grating mirror and gain distribution will be studied. The the structural parameters optimization of the grating mirror is made to obtain high power and high quality radial polarized laser. Finally, the raidal polarized laser can be obtained in a fast-axial-flow CO2 laser, the laser power is greater than 1kw, polarization purity>90%, TEM01* mode. Radial polarized laser can also be used in many cutting-edge areas, such as the electron acceleration, scanning microscopy and particle trapping.

采用径向偏振光的CO2激光器切割金属效率大约是采用圆偏振光的两倍。本项目提出在轴快流CO2激光器上采用L形空间折叠激光谐振腔的结构形式和光栅镜的方法产生径向偏振光。由于轴快流CO2激光器具有对称性很好的增益区，且L形空间折叠激光谐振腔可以消除转折镜的偏振选择效应，可以得到稳定的高光束质量的径向偏振光。更重要的是采用光栅镜的方式，实现起来稳定可靠。本项目将增益等效模型和衍射积分理论结合起来，建立起等效的激光谐振腔模型并分析求解，得到光栅镜激光谐振腔输出的径向偏振光的模式特征。同时，研究光栅镜、增益区对激光模式的影响。优化光栅镜的结构参数，高效率的得到高功率高光束质量的径向偏振光。最终在轴快流CO2激光器上得到功率千瓦量级, 激光模式为TEM01*，偏振纯度大于90%的径向偏振光。径向偏振光还可应用于电子加速、扫描显微和粒子诱捕等许多尖端领域。

采用径向偏振光的CO2激光器切割金属效率大约是采用圆偏振光的两倍，并且径向偏振光还可应用于电子加速、扫描显微和粒子诱捕等许多尖端领域。本项目对基于轴快流CO2激光器的径向偏振激光产生原理和方法进行了研究，主要研究内容包括：建立光栅镜激光谐振腔的模式研究方法，将光栅镜谐振腔作等效处理，将其等效为具有变反射率镜的一般共轴球面稳定腔，充分考虑激光增益分布，采用衍射积分方法解决了光栅镜谐振腔的模式计算问题；提出了一种空间L形三折叠激光谐振腔，这种新型激光谐振腔解决了角镜对不同偏振态的损耗不同的问题，能保证输出激光光束均匀性；设计和制作了一种具有高偏振选择性的复合光栅镜，该光栅镜作为尾镜选模装置能保证输出激光的高偏振纯度，以此光栅镜作为偏振选择器件，产生了高光束质量的径向偏振激光输出，并对光栅镜的热效应进行了研究；更进一步的研究了多种激光运行参数与激光径向小信号增益分布的关系，用于指导这些运行参数的调整来增强激光模式与增益区分布的匹配，用以提高径向偏振光的纯度；基于项目研究中对径向偏振激光产生原理的进一步理解和验证，又提出了一种新颖的基于偏振选择金属复合锥镜和腔内相位变换技术的径向偏振激光谐振腔，相对于光栅镜损伤阈值低的缺点，金属复合锥镜有反射率高、可以直接冷却、热损伤阈值高等特点，可以用于产生更高功率的径向偏振激光输出，并可以设计出可以满足工业加工的稳定运行的径向偏振激光器，使径向偏振激光器向着实用化和产业化迈近了一大步。最终在轴快流CO2激光器中产生了激光模式为TEM01*，功率达1300W的高光束质量径向偏振激光输出。在国内外重要学术期刊上发表论文9篇，其中被SCI收录5篇。申请发明专利4项，培养博士研究生3名（其中1名在读），硕士研究生1名。