偏振补偿器

消偏振补偿器，偏振补偿器，去偏振补偿，一种增益介质中去偏振补偿的方法

立陶宛WOP提供了一种解决去偏振损耗问题的新方案——去偏振补偿器（消偏振补偿器，偏振补偿波片）。它是一个空间可变波片 (SVWP)，在了解去偏振水平、其来源和放大的激光束参数的情况下制造。

这种方法比其他方法更有利，例如腔内四分之一波片、腔内法拉第旋转器、具有两个相同泵浦和中继成像增益介质的经典去偏振补偿布局，以及不同的晶体切割方向。

由于精确逐点刻写的纳米光栅的独特性能，我们的偏振补偿波片（英文名：Depolarization Compensator）灵活多变，可根据客户需求进行广泛调整。

WOP消偏振补偿器（Depolarization Compensator）的优势

       - 无吸收No absorption

- 非常低的散射Very low scattering

- 定制化、和连续的逐点模式continuous point by point patterns

- 最大功率提取可能性，不会造成光束质量的额外下降

- 通过堆叠多个元件来灵活地补偿不同量的去偏振

- 节省空间，易于操作

- 价格大幅降低

我们提出的去偏振补偿方法——去偏振补偿器（消偏振补偿器，偏振补偿波片，英文名：Depolarization Compensator）。与其他方法相比更有利，例如腔内四分之一波片、腔内法拉第旋转器、具有两个相同泵浦和中继成像增益介质的经典去偏振补偿布局，以及不同的晶体切割方向 。

与传统的法拉第旋转器相比，WOP空间可变波片（SVWP）的优势         

- 空间可变波片 (SVWP) 的基板是熔融石英，与法拉第旋转器相比，对激光辐射的体积吸收低，非线性折射率显着降低，从而最大限度地减少了高强度激光中的热效应和非线性相互作用；

- SVWP元件紧凑（厚度为6毫米，直径通常为25.4毫米），而法拉第转子材料的长度通常至少为 20 毫米；

- 有可能补偿高泵浦增益介质中的去偏振，而使用四分之一波片的简单方法则无法做到这一点；

- 它对对齐和特定配置不太敏感；

- 它非常实用，因为可以通过改变入射激光束大小或在同一光学布局中堆叠几个 SVWP 来调整诱导/补偿去偏振水平。

WOP偏振损耗问题的新方案——去偏振补偿器（消偏振补偿器）Depolarization Compensator

高功率激光器增益介质中的热效应会产生可预测的轴对称温度梯度。温度梯度在泵送晶体中产生机械应力，从而导致诱导双折射，由于温度热梯度的存在会导致增益介质内部的折射率分布发生变化，引起热致退偏效应。

如果激光系统包含偏振敏感元件（例如布儒斯特板、法拉第旋转器），则产生的光学各向异性会导致显着的功率损耗。立陶宛WOP 与 Ekspla共同努力，基于 Ekspla的发明 EP3712664 (A1)，开发并验证了解决去偏振损耗问题的解决方案——一种补偿增益介质中原始偏振失真的光学元件，偏振补偿波片（消偏振补偿器，英文名：Depolarization Compensator）。

研究了亚皮秒激光系统，该系统具有基于光纤 CPA 的种子激光器 FemtoLux 30 ( Ekspla ) 和双通端泵浦 Yb:YAG 晶体功率放大器。

该系统的主要创新之处在于使用专门设计的空间可变波片或 SVWP 应用去偏振补偿，这允许从这样的放大器中提取几乎最大的功率，而不会造成额外的光束质量下降。

据我们所知，这种方法是首次应用。

去偏振补偿器。左图：快慢轴方向二维分布图。右图：延迟曲线。

以下是文献资料：

使用消偏振补偿器实现去偏振补偿、热致退偏效应的一种补偿方法 

立陶宛WOP与Ekspla有限公司研究了一种亚皮秒激光系统，采用光纤CPA的种子激光器FemtoLux 30和双通端泵浦Yb:YAG晶体功率放大器。该系统的关键新颖之处在于使用一个特殊设计的空间可变波片(SVWP)进行去偏振补偿，这允许从此类放大器提取几乎最大功率，而不会导致额外的光束质量下降。这种空间可变波片(SVWP)进行去偏振补偿可称为去偏振补偿器。

Yb:YAG晶体是应用于激光放大器的最有效的Yb掺杂材料之一，具有高吸收和放大截面和高热导率。虽然掺镱Yb材料在被969 nm激光二极管泵浦时存在相当小的量子缺陷，但如果激光系统中包含偏振敏感元件，则高泵浦增益介质中的热效应会通过去偏振导致一定的功率损失。在高功率激光器的增益介质中，热效应产生可预测的轴向对称的温度热梯度。这些梯度在泵浦晶体中诱发机械应力，导致折射率梯度分布和诱导双折射。

双折射轴向梯度场的径向和切向方向，导致在放大器的输入端形成初始偏早光的常见“三叶草”去偏振光束形状。热诱导应力不仅会影响光束的空间轮廓，还会导致双聚焦，从而破坏光束的聚焦性。这时，通过使用腔内法拉第旋转器，对激光棒中的去偏振和双焦进行补偿。虽然这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质中没有完全补偿，容易受到热效应影响的缺点。

这些原因促使我们寻找一种新颖而实用的方法，在高端泵浦增益介质中减少去偏振和双焦，以建立一个更高效的高峰值功率亚皮秒激光系统。

空间可变波片（SVWP）的研究

SVWP可以设计用于线性偏振或圆偏振入射光束。在这两种情况下，都构建了一个连续变化的纳米光栅的快速轴向，并按切向方向的轴对中，如图1所示。在每一点上连续形成径向变化的延迟值。

  图1：左图，二维快、慢轴方向分布图                            右图，SVWP单元内穿过虚线的延迟剖面图

R(λ/2)标记SVWP的等高线，其中相位延迟为λ/2, R(SVWP)标记内切双折射图的边缘，R(el.)标记元素玻璃基板的半径。

此次，给出了用于去偏振补偿的SVWP元件性能的数值，研究了线性或圆形输入高斯光束偏振通过SVWP元件传播的情况，计算了去偏振水平η与SVWP单元诱导的相位延迟δ的关系，并在图2(下)中表示出来。补偿诱导相位延迟所需的波束半径与补偿器半径r/ R的比值如图2(上)所示。图中显示了不同延迟δ值所需r/ R比的少数情况作为参考。

图2：去偏振水平η与SVWP单元诱导的相位延迟δ的关系图            

上是SVWP元件补偿诱导相位延迟所需波束半径与补偿器半径r/ R的比值；

下是波束去偏振水平对SVWP单元诱导相位延迟的依赖性；

虚线表示补偿激光束中相应相位延迟所需的比值r/ R的值；

插图，圆偏振(上)和线性偏振(下)在SVWP元件诱导的不同相位延迟下的去偏振光束剖面。

如果在SVWP中将双折射剖面反转，就能够给出了理想高斯光束在一定去偏振值下的SVWP参数。值得注意的是，在相同的相位延迟下，圆偏振情况下的去偏振是线偏振情况下的2倍，但所需的补偿比保持不变。

SVWP元件的另一个方面是它对通过它的线偏振光束产生的固有散光，或圆偏振光束诱导的对称聚焦。通过使用傅里叶变换方法和以下公式，将理想高斯光束传播到SVWP中，并计算得到的波束阵面，从而实现建模。

E 0x、E 0y 为水平面和垂直面的输入电场；

θ为参考偏振轴与局部双折射轴的夹角；

β为线偏振光相对于水平面(x轴)的夹角；

1φ为水平面和垂直面电场的相位；

δ为偏振分量之间的诱导相位延迟。

研实验设置与结论

亚皮秒高峰值功率和高重复率激光系统的实验设置由一个原型版本的FemtoLux 30激光器进行，在1 MHz脉冲重复率下输出功率为37 W，脉冲啁啾持续时间为~ 220 ps，带宽为1λ = 3.3 nm(在FWHM)，中心为1030 nm。所研制的激光系统由基于PCA的定制激光FemtoLux 30作为种子源、DPSS Yb:YAG功率放大器和四通衍射光栅脉冲压缩器组成。

由于相同的抛物型延迟剖面，通过改变入射到SVWP元件上的种子束直径，我们可以改变SVWP元件诱导的相位延迟，从而适应不同的泵浦条件。这种方法方便了实验灵活性，可以在不同的实验布局中补偿不同的去偏振量。利用延迟值为δ = 0.44λ (R = 1.5 mm)的SVWP来补偿双通道结构中产生的去偏振和双聚焦，它被放置在后反射面RM附近。如图3所示。

图3：完整的激光系统布局图

使用标准的z扫描技术对光束质量进行了表征，方法是使用具有明确焦距的正透镜聚焦光束，并沿传播方向跟踪光束半径的变化。z扫描的最佳拟合度为M2 ~ 1，表明几乎衍射有限的光束质量。如图4所示。

压缩脉冲由二次谐波产生的频率分辨光学器件表征门控(SHG-FROG)自相关法。FROG算法(Swamp Optics)使用1024 × 1024网格检索到的脉冲持续时间为318 fs，如图5所示。

图4：光束半径测量图                                             图5：压缩脉冲的包络线测量图

光束在第二次通过后被成像回放大器晶体，并通过偏光器P1进行耦合。测量了双通放大、泵浦吸收和去偏振水平对种子功率的依赖性。结果显示在图6和图7中。

在1 MHz脉冲重复率下，在37 W种子功率下实现了129 W的最大输出功率(图6)。对于280 W泵浦功率，它对应32%的放大器效率。在较低的种子功率下，获得16.7 dB的增益。图7(右下图)绘制了不同输入种子功率水平下去偏振变化的依赖性。在小信号增益体制下，去偏振水平为4.2%，在37 W输入功率去偏振水平达到17.9%。由此可知，去偏振水平取决于输入种子功率。

         图6：平均输出功率(红色)和放大器总增益(黑色)对比图              图7：吸收泵浦和诱导去偏振η与输入种子功率图

最初，去偏振补偿器被移除，以检查Yb:YAG放大器晶体如何修改光束的空间和偏振特性。对放大后的光束进行z 扫描测量。信号波束由F = 200 mm的透镜聚焦，放置在距离偏光器P1 1米的地方，并由CMOS相机捕获沿聚焦波束烧灼(z扫描剖面)的波束半径(在4西格玛水平)。安装去偏振补偿器后，重复同样的过程。在双通放大器配置中，带和不带去偏振补偿的z扫描结果如图8所示。

图8：SVWP补偿器去偏振补偿的放大光束Z扫描图

从输出频谱得到的变换受限脉冲持续时间为415 fs。从FROG中提取的残留光谱相位在1024.3到1033.8 nm的光谱范围内为~ 2.3 rad，包含了98%的总脉冲能量。压缩脉冲的时间Strehl比，定义为脉冲的实际峰值功率与带宽受限脉冲的时间Strehl比为81%，表明具有较高的放大脉冲质量。与83%的初始种子脉冲时间Strehl比相比，脉冲质量最低限度地下降，而由于增益窄化效应，脉冲带宽从3.3 nm (FWHM)缩小到2.3 nm (FWHM)。在脉冲压缩器中测量到的衍射和反射损失为约10%，导致总输出功率为约116 W，而光束质量没有进一步下降，保持在M2 = 1.9−2.2。如图9所示。

图9：压缩脉冲的包络线与带宽受限脉冲形状比较图

实验总结

安装去偏振补偿器后，去偏振水平从17.9%降低到2.7%（图8上图可知），双焦项最小化到安装去偏振补偿器后我们无法测量的水平。由于正确选择了补偿器参数，节省了大量输出功率，并保持了对称的光束形状，由此产生的去偏振补偿和双焦降低效果显著。

与其他方法相比，我们提出的方法更有益，如内腔四分之一波板，内腔法拉第旋转器，带有两个相同泵浦和继电器成像增益介质的经典去偏振补偿布局，以及不同的晶体切割方向。