一种大口径二维连续偏振调制元件及制备方法与流程

1.本发明属于光学元件制备领域，具体涉及一种大口径二维连续偏振调制元件的制备方法，还涉及一种大口径二维连续偏振调制元件。


背景技术：

2.偏振匀滑技术可以有效减弱高功率固体激光装置打靶焦斑中的散斑，降低靶面的不均匀度，其对于抑制具有快速响应时间的激光等离子体的不稳定性非常有效。高功率固体激光装置光束口径接近米级尺寸，目前报导的实现如此大口径光束偏振调制的光学元件主要为偏振控制板和双折射楔两种方案(高妍琦等，红外与激光工程，49(12):20201074,2020)。偏振控制板对光束近场分块，并使用晶体或液晶调整偏振方向，从而使子光束之间的可干涉数目减少一半。双折射楔方案利用单轴晶体快慢光折射率不同的特点，通过磷酸二氢钾(kdp)楔板直接将入射的线偏振激光分为偏振方向正交，并且具有一定角度差的两束光(o光和e光)，通过o光和e光在焦面上非相干叠加达到减弱焦斑散斑的效果。但是，制备接近米级尺寸的晶体偏振调制光学元件极为困难，费用极为高昂。液晶虽然成本较为低廉，但液晶材料透过率和抗损伤能力较差，并不适用于高通量的高功率固体激光装置。
3.为了实现经济高效制备大口径偏振调制元件这一工程技术难题，人们开始尝试采用费用较为经济的玻璃材料实现大口径光束的偏振调制。rothenberg等人(journal of applied physics,87(8):3654-3662,2000)公开了一种在420mm
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420mm
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10mm大口径熔石英玻璃平板四边固定八个金属块，每个金属块上施加三个压紧载荷，每个载荷达2000磅，通过在熔融石英平板上产生高度非均匀的应力双折射对大口径光束进行偏振调制。但是，这种采用施加外部应力的方式需要在元件边缘加载非常大的载荷，并且，即使边缘加载了极大的载荷，元件中心大部分区域应力仍较低，难以对光束的中心区域进行有效偏振调制。因此，rothenberg等人提出的利用施加外部应力在熔石英平板中引入应力双折射并不适合对大口径的整个光束进行有效偏振调制。
4.因此，亟需提出一种以光学玻璃材质为基板的大口径偏振调制元件的制备方法，并制备一款能够实现连续调制的大口径偏振调制元件，进而替代边缘载荷法和避免使用昂贵的超大尺寸晶体材料，以满足大口径光束激光装置某些特定应用场景。


技术实现要素：

5.为解决以上技术问题，本发明提供一种大口径二维连续偏振调制制备方法以及一种大口径二维连续偏振调制元件。该方法和元件具有简洁高效、工艺稳定性好、可控性强和重复性高的优势。
6.为实现上述目的，本发明技术方案如下：
7.一种大口径二维连续偏振调制元件的制备方法，包括如下步骤：
8.步骤s1，选择抗热冲击的光学玻璃作为基板；
9.步骤s2，对基板上进行热处理产生热残余应力作为内应力，进而实现应力偏振调
控。
10.可选的，所述抗热冲击的光学玻璃为熔石英玻璃。
11.可选的，步骤s2具体包括：
12.s21选择co2激光作为点热源辐照基板，使基板辐照点处快速加热，关闭co2激光，降温后在基板所述辐照点处引入热残余应力，并且使基板所述辐照点处的最大光程差达到第一目标值；
13.s22调试co2激光辐照点之间的间距，在基板上完成阵列式辐照，进而引入二维热残余应力阵列，使基板的最大光程差达到第二目标值。
14.可选的，s22中阵列式辐照为逐点辐照或同时多点辐照。
15.可选的，所述第一目标值为调控激光波长的1/3，第二目标值为调控激光波长的1/2。
16.可选的，所述s22中在基板上完成阵列式辐照后，基板表面轮廓最大起伏应小于或等于调控激光波长的6倍。
17.可选的，阵列式辐照为正交式、六角密排或其他随机排列。
18.可选的，所述大口径二维连续偏振调制元件按权利要求1-7任意一项所述制备方法制备而成。
19.可选的，所述大口径二维连续偏振调制元件的二维残余应力阵列中每一个每一应力点均可实现线偏振光-椭圆偏振光-圆偏振光-椭圆偏振光-圆偏振光-线偏振光的连续偏振调制；所述大口径二维连续偏振调制元件区域也可实现线偏振光
→
椭圆偏振光
→
圆偏振光
→
椭圆偏振光
→
圆偏振光
→
线偏振光的连续偏振调制；所述大口径二维连续偏振调制元件平均退偏能量比例为36％～50％。
20.可选的，所述大口径二维连续偏振调制元件的二维残余应力阵列中每一个应力点的光程差分布为从应力点中心沿径向逐步增大，应力点边缘的光程差最大。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
22.采用本发明提供的大口径二维连续偏振调制元件及其制备方法，方法新颖，极大简化了大口径偏振调制元件的制作流程，避免了使用昂贵的超大尺寸的晶体材料，采用内应力的方式规避了在元件周边加载外部载荷，简洁高效的同时实现了整个大口径光束偏振的精确调制，制造的大口径二维连续偏振调制元件表面光洁，激光损伤阈值高，尤其适用于强光环境下的应用。
附图说明
23.图1为起偏器和检偏器的透振方向平行时制备的大口径二维连续偏振调制元件部分区域二维热残余应力点阵的花样；
24.图2为起偏器和检偏器的透振方向正交时制备的大口径二维连续偏振调制元件部分区域二维热残余应力点阵的的花样；
25.图3为制备的大口径二维连续偏振调制元件的边长13mm方格子单元1/4部分的残余应力双折射导致的光程差二维分布。
具体实施方式
26.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。下面结合附图对本发明做详细说明。
27.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合具体实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。
28.实施例1
29.一种大口径二维连续偏振调制元件及其制备方法，按照以下步骤进行：
30.s1：选择抛光的430mm
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430mm
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10mm大口径熔石英平面元件作为大口径二维连续偏振调制元件的基板。
31.s2：设置射频激励co2激光器的光斑尺寸为30mm，功率250w，出光时间30s，单点辐照熔石英基板表面后降温，引入热残余应力。
32.s3：利用光弹法应力仪检测熔石英基板co2激光单点作用后热残余应力分布，测量结果为：应力双折射现象引起的光程差分布为圆形斑状分布，其中圆心处光程差最低为0，沿径向越往外光程差越大。本实施例中应力双折射现象引起的单点最大光程差为130nm，最大光程差的直径为10mm。本步骤中的最大光程差可以根据实际需要，通过co2激光器的光斑尺寸、功率、出光时间进行组合优化进而实现调整。一般单点最大光程差为需要目标调整波长的1/3。
33.s4：利用台阶仪检测熔石英基板co2激光单点作用后的表面轮廓，基板表面轮廓最大起伏应应控制在调控激光波长的6倍以内。本实施例测量结果为：表面轮廓最大起伏为2μm，符合要求。
34.s5：设置co2激光辐照点之间的间距，本实施例中辐照点间距为13mm，以正方形格点的排列方式在430mm
×
430mm大口径熔石英基板表面进行co2激光逐点辐照，采用二维平移台移动元件多行多列的co2激光处理点阵。本实施例为28行28列的co2激光处理点。co2激光辐照点之间的间距亦可以调整，通过调整辐照点之间的间距和排列方式，使多个辐照点之间的光程差实现叠加，进而可以实现整个基板连续偏振调制，并且保证整体co2激光处理点阵的最大光程差小于第二目标值，第二目标值根据实际需要设定，一般第二目标值为调控激光波长的1/2。其中正方形格点的排列方式还可以更换成六角密排或除正方形格点、六角密排以外的其他随机排列方式。六角密排即辐照点分布按正六边形顶点位置排列。
35.s6：利用光弹法应力仪检测co2激光逐点辐照熔石英基板后形成的二维热残余应力点阵的花样，参见图1和图2，图1为起偏器和检偏器透振方向平行时的部分二维热残余应力点阵的花样，图2为起偏器和检偏器透振方向正交时部分二维热残余应力点阵的的花样，从图1和图2可以观察到入射的单一线偏振光通过制备的熔石英基板大口径二维连续偏振调制元件后变成偏振二维连续变化的光束。
36.s7：利用光弹法应力仪检测制备的熔石英基板大口径二维连续偏振调制元件的边长13mm方格子单元1/4部分的残余应力双折射导致的光程差二维分布，如图3所示，连续变化的应力光程差明确说明了连续变化的偏振态，其最大应力光程差可达到176nm，即对于351nm的激光其相位差连续变化的最大值可达到π，实现了线偏振光
→
椭圆偏振光
→
圆偏振
光
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椭圆偏振光
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圆偏振光
→
线偏振光(偏振方向旋转90
°
)的连续偏振调制。计算可以得到其对高功率固体激光装置线偏振的351nm打靶激光的平均退偏能量比例达到36％，制备的大口径二维连续偏振调制元件具有有效的二维连续偏振调制能力。通过对二维热残余应力点阵的控制平均退偏能量比例最大可达到50％。

技术特征：
1.一种大口径二维连续偏振调制元件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：步骤s1，选择抗热冲击的光学玻璃作为基板；步骤s2，对基板上进行热处理产生热残余应力作为内应力，进而实现应力偏振调控。2.如权利要求1所述的大口径二维连续偏振调制元件的制备方法，其特征在于，所述抗热冲击的光学玻璃为熔石英玻璃。3.如权利要求1所述的大口径二维连续偏振调制元件的制备方法，其特征在于，步骤s2具体包括：s21选择co2激光作为点热源辐照基板，使基板辐照点处快速加热，关闭co2激光，降温后在基板所述辐照点处引入热残余应力，并且使基板所述辐照点处的最大光程差达到第一目标值；s22调试co2激光辐照点之间的间距，在基板上完成阵列式辐照，进而引入二维热残余应力阵列，使基板的最大光程差达到第二目标值。4.如权利要求3所述的大口径二维连续偏振调制元件的制备方法，其特征在于，s22中阵列式辐照为逐点辐照或多点同时辐照。5.如权利要求3所述的大口径二维连续偏振调制元件的制备方法，其特征在于，所述第一目标值为调控激光波长的1/3，第二目标值为调控激光波长的1/2。6.如权利要求3所述的大口径二维连续偏振调制元件的制备方法，其特征在于，所述s22中在基板上完成阵列式辐照后，基板表面轮廓最大起伏应小于或等于调控激光波长的6倍。7.如权利要求3所述的大口径二维连续偏振调制元件的制备方法，其特征在于，阵列式辐照为正交式、六角密排或其他随机排列。8.一种大口径二维连续偏振调制元件，其特征在于，所述大口径二维连续偏振调制元件按权利要求1-7任意一项所述制备方法制备而成。9.如权利要求8所述的大口径二维连续偏振调制元件，其特征在于，所述大口径二维连续偏振调制元件的二维残余应力阵列中每一个应力点均可实现线偏振光-椭圆偏振光-圆偏振光-椭圆偏振光-圆偏振光-线偏振光的连续偏振调制；所述大口径二维连续偏振调制元件的整体阵列区域也可实现线偏振光
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椭圆偏振光
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圆偏振光
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椭圆偏振光
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圆偏振光
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线偏振光的连续偏振调制；所述大口径二维连续偏振调制元件平均退偏能量比例为36％～50％。10.如权利要求8所述的大口径二维连续偏振调制元件，其特征在于，所述大口径二维连续偏振调制元件的二维残余应力阵列中每一个应力点的光程差分布为从应力点中心沿径向逐步增大，应力点边缘的光程差最大。

技术总结
本发明公开了一种大口径二维连续偏振调制元件及制备方法。该元件表面具有二维点阵式内应力分布，每一应力点均可实现线偏振光-椭圆偏振光-圆偏振光-椭圆偏振光-圆偏振光-线偏振光的连续偏振调制。该元件制备包括：选取抗热冲的光学玻璃作为基板；在基板某局部点进行热处理引入热残余应力作为内应力，并基于内应力的双折射效应实现该局部点的偏振连续调制；通过在基板表面引入二维热残余应力阵列实现了大口径二维连续偏振调制。该方法不仅极大简化了大口径二维连续偏振调制元件的制作流程，避免了使用昂贵的超大尺寸晶体材料，而且还实现了整个大口径光束偏振的精确调制，其激光损伤阈值高，尤其适用于大口径光束的激光装置。置。置。


技术研发人员：张传超 廖威 王海军 张丽娟 蒋晓龙 方振华 蒋晓东 朱启华
受保护的技术使用者：中国工程物理研究院激光聚变研究中心
技术研发日：2023.03.20
技术公布日：2023/7/25