基于矢量偏振谐振腔的高功率径向偏振光束产生研究

摘要

径向偏振光束偏振分布的旋转对称性，使其在激光加工、光学显微、粒子捕获、等离激元、激光加速等应用领域具有独特的优势。本文针对矢量偏振谐振腔产生高功率径向偏振光进行了理论和试验研究。主要的研究内容如下： (1)研究了矢量偏振光学的数值计算理论，包括偏振光学的矩阵理论（琼斯矢量、琼斯矩阵、斯托克斯参数、米勒矩阵等）、矢量偏振光束的表征以及矢量光场的衍射积分理论，为偏振光学及偏振敏感谐振腔的数值计算打下了理论基础。 (2)研究了偏振敏感谐振腔本征模式的计算方法。基于琼斯矢量理论，提出了用于偏振敏感谐振腔本征模式计算的矢量Fox-Li迭代法和矢量特征向量法。与矢量Fox-Li迭代法相比，矢量特征向量法可以一次求解偏振敏感谐振腔内的多个本征模式，包括标量模式和矢量模式。 (3)研究了球面矢量偏振谐振腔的模式特性。采用矢量特征向量法研究了球面矢量偏振谐振腔的偏振参数、菲涅尔数和几何参数对腔内模式选择和模场分布的影响。得出了要在球面矢量偏振半共焦腔内获得最低阶矢量偏振模式，需要偏振器件的TM和TE偏振反射系数差大于0.0225、谐振腔的菲涅尔数取值在2～2.5范围的结论。然后，设计了矢量偏振转换谐振腔结构，实现角向偏振和径向偏振的转换，并基于轴快流CO2激光器平台，实现2000W的径向偏振光的输出。 (4)研究了环面矢量偏振谐振腔的模式特性。研究了普通环面谐振腔对TEM00模等竞争模式的抑制作用。然后，研究了环面矢量偏振谐振腔的偏振参数、菲涅尔数和几何参数对腔内模式选择和模场分布的影响。得出了要在环面矢量偏振半共焦腔内获得最低阶矢量偏振模式，需要偏振器件的TM和TE偏振反射系数差大于0.0160、谐振腔菲涅尔数取值在4～5.5范围的结论。与球面矢量偏振谐振腔相比，环面矢量偏振谐振腔有助于获得矢量偏振模式。 (5)研究了球面和环面矢量偏振谐振腔的失调特性和热稳定性。采用增广矩阵分析法和等效光程失调因子法分别对球面和环面矢量偏振谐振腔的倾斜和离轴失调进行分析，二者的倾斜和离轴失调都会引起模场的偏心和退偏。且环面矢量偏振谐振腔的失调灵敏度大于球面矢量偏振谐振腔的失调灵敏度。然后，采用有限元分析法，研究了轴锥镜的热形变效应。在高功率运行环境下，轴锥镜的形变量大于波长量级，对激光器的径向偏振模式和激光效率有一定的影响，因此需要加强冷却效果。

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