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，一種增益介質中去偏振補償的方法

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的情況下制造。

這種方法比其他方法更有利，例如腔內四分之一波片、腔內法拉第旋轉器、具有兩個相同泵浦和中繼成像增益介質的經典去偏振補償布局，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，可根據客戶需求進行廣泛調整。

WOP消偏振補償器（Depolarization Compensator）的優勢

       - 無吸收No absorption

- 非常低的散射Very low scattering

- 定制化、和連續的逐點模式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，例如腔內四分之一波片、腔內法拉第旋轉器、具有兩個相同泵浦和中繼成像增益介質的經典去偏振補償布局，以及不同的晶體切割方向 。

與傳統的法拉第旋轉器相比，WOP空間可變波片（SVWP）的優勢         

- 空間可變波片 (SVWP) 的基板是熔融石英，與法拉第旋轉器相比，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，因為可以通過改變入射激光束大小或在同一光學布局中堆疊幾個 SVWP 來調整誘導/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中的熱效應會產生可預測的軸對稱溫度梯度。溫度梯度在泵送晶體中產生機械應力，從而導致誘導雙折射，由于溫度熱梯度的存在會導致增益介質內部的折射率分布發生變化，引起熱致退偏效應。

如果激光系統包含偏振敏感元件（例如布儒斯特板、法拉第旋轉器），則產生的光學各向異性會導致顯著的功率損耗。立陶宛WOP 與 Ekspla共同努力，基于 Ekspla的發明 EP3712664 (A1)，開發并驗證了解決去偏振損耗問題的解決方案——一種補償增益介質中原始偏振失真的光學元件，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，該系統具有基于光纖 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。

該系統的主要創新之處在于使用專門設計的空間可變波片或 SVWP 應用去偏振補償，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量下降。

據我們所知，這種方法是除了他們應用外。

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去偏振補償、熱致退偏效應的一種補償方法 

立陶宛WOP與Ekspla有限公司研究了一種亞皮秒激光系統，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。該系統的關鍵新穎之處在于使用一個特殊設計的空間可變波片(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，而不會導致額外的光束質量下降。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率。雖然摻鐿Yb材料在被969 nm激光二極管泵浦時存在相當小的量子缺陷，但如果激光系統中包含偏振敏感元件，則高泵浦增益介質中的熱效應會通過去偏振導致一定的功率損失。在高功率激光器的增益介質中，熱效應產生可預測的軸向對稱的溫度熱梯度。這些梯度在泵浦晶體中誘發機械應力，導致折射率梯度分布和誘導雙折射。

雙折射軸向梯度場的徑向和切向方向，導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。熱誘導應力不僅會影響光束的空間輪廓，還會導致雙聚焦，從而破壞光束的聚焦性。這時，通過使用腔內法拉第旋轉器，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中沒有補償，容易受到熱效應影響的缺點。

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。

空間可變波片（SVWP）的研究

SVWP可以設計用于線性偏振或圓偏振入射光束。在這兩種情況下，都構建了一個連續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單元內穿過虛線的延遲剖面圖

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

此次，給出了用于去偏振補償的SVWP元件性能的數值，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單元誘導的相位延遲δ的關系，并在圖2(下)中表示出來。補償誘導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比的少數情況作為參考。

圖2：去偏振水平η與SVWP單元誘導的相位延遲δ的關系圖            

上是SVWP元件補償誘導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單元誘導相位延遲的依賴性；

虛線表示補償激光束中相應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，就能夠給出了理想高斯光束在一定去偏振值下的SVWP參數。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生的固有散光，或圓偏振光束誘導的對稱聚焦。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相位延遲。

研實驗設置與結論

亞皮秒高峰值功率和高重復率激光系統的實驗設置由一個原型版本的FemtoLux 30激光器進行，在1 MHz脈沖重復率下輸出功率為37 W，脈沖啁啾持續時間為~ 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，通過改變入射到SVWP元件上的種子束直徑，我們可以改變SVWP元件誘導的相位延遲，從而適應不同的泵浦條件。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來補償雙通道結構中產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：完整的激光系統布局圖

使用標準的z掃描技術對光束質量進行了表征，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量。如圖4所示。

壓縮脈沖由二次諧波產生的頻率分辨光學器件表征門控(SHG-FROG)自相關法。FROG算法(Swamp Optics)使用1024 × 1024網格檢索到的脈沖持續時間為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。結果顯示在圖6和圖7中。

在1 MHz脈沖重復率下，在37 W種子功率下實現了129 W的最大輸出功率(圖6)。對于280 W泵浦功率，它對應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，重復同樣的過程。在雙通放大器配置中，帶和不帶去偏振補償的z掃描結果如圖8所示。

從輸出頻譜得到的變換受限脈沖持續時間為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量。與83%的初始種子脈沖時間Strehl比相比，脈沖質量較低限度地下降，而由于增益窄化效應，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%，導致總輸出功率為約116 W，而光束質量沒有進一步下降，保持在M2 = 1.9?2.2。如圖9所示。

圖9：壓縮脈沖的包絡線與帶寬受限脈沖形狀比較圖

實驗總結

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，節省了大量輸出功率，并保持了對稱的光束形狀，由此產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，如內腔四分之一波板，內腔法拉第旋轉器，帶有兩個相同泵浦和繼電器成像增益介質的經典去偏振補償布局，以及不同的晶體切割方向。

立陶宛WOP的空間可變波片