CN103594918A

CN103594918A - 一种输出空心激光光束的方法和装置

Info

Publication number: CN103594918A
Application number: CN201310537739.1A
Authority: CN
Inventors: 陈培锋; 王英; 胡阿健; 夏兵兵; 李姝妺; 谭望; 张志钰
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2013-11-04
Filing date: 2013-11-04
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2033-11-04
Also published as: CN103594918B

Abstract

本发明公开了一种输出空心光束的方法，包括：(1)激光器产生的实心光束，经整形***整形为中空的环形泵浦光；(2)该中空的环形泵浦光，沿光轴入射到耦合***，该耦合***将所述环形泵浦光变换成合适直径大小的空心光束；(3)该空心光束从激光谐振腔的一端面耦合进入谐振腔，对激光器增益介质进行泵浦，通过相位控制使得所述谐振腔中的增益介质吸收泵浦光产生连续的空心激光输出。本发明还公开了一种空心光束输出装置。本发明的装置和方法通过将入射的泵浦光从通常的实心形式改变成为空心形式，使激光振荡的轴心部分没有增益，再通过相位控制，得到空心激光光束输出，具有实现简单、可靠性高、转换效率高和输出功率高的优点。

Description

一种输出空心激光光束的方法和装置

技术领域

本发明属于激光领域，具体涉及一种输出空心激光光束的方法和装置。

背景技术

长期以来，实心激光光束在传统激光行业如切割、熔覆、焊接和打标等上有着广泛的应用。但是近年来，由于应用技术的促进，各种中心强度为零的激光束——空心激光光束相继产生，并正在形成一个新颖的所谓空心光束（也称暗中空光束）的大家族。空心光束作为激光导管、光学镊子（光钳）和光学扳手，在微观粒子（如微米粒子、纳米粒子、自由电子、生物细胞和原子或分子等）的精确、无接触操纵和控制中有着广泛的应用。

由于空心光束的产生，反过来也促进了很多传统激光应用领域反思光束形式的进一步优化。例如最近甚至发现对于激光冲击成形这样的传统激光加工领域，空心光束也具有一定的优势。这种空心光束除了具有激光频率、激光功率和光束发散角等激光束的一般参数外，还具有暗斑尺寸、光束宽度、光束半径和宽度半径比等一些特殊的参数。各类空心光束都有其独特的物理性质，如强度呈圆筒形分布、很小的暗斑尺寸、无加热效应、传播不变性以及具有自旋与轨道角动量等，这些性质使得空心光束在激光光学、光信息处理、微粒波导、同位素分离、微电子学和材料科学、生物技术、医学以及原子学、分子学等领域中有着广泛的应用前景。

目前为止，现有技术中存在多种产生空心激光光束的方法，如几何光学法、中空光纤法、π位相板法、光学全息法和计算机全息法等。其中，几何光学法、中空光纤法和π位相板法获得空心光束，优点是结构简单、便于实现，但转换效率低、输出空心光束的纯度不高和较低的光束质量的缺点也很明显；而计算机全息法和光学全息法获得空心光束，虽然输出空心光束的纯度高、光束质量好，但成本较高，制作难度很大。

中国专利文献201210049178.6中公开了一种采用端面泵浦，将泵浦光焦点耦合到激光增益介质内部或者外部，来得到空心激光光束的方法。该方法得到的空心光束的光斑是由很多小的旁瓣组成的，这种非连续的环状空心光束在实际应用过程中会有一定的限制，譬如在受激损耗显微术中，由于旁瓣的存在，空心光束对激发光的荧光抑制作用就不是那么明显，导致零星的杂质荧光的产生，降低了受激损耗显微术的分辨率。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种输出空心激光光束的方法和装置，其目的在于利用环形泵浦光，通过轴向端面泵浦，在增益介质中形成中空形式的增益区，直接获得空心激光束的输出，通过对环形泵浦光的环状光斑大小精确的控制，实现对激光模式的控制，解决了空心光束中心并非完全无光的问题，同时通过相位控制，解决了空心光束空心环不连续的问题。

按照本发明的一个方面，提供一种输出空心光束的方法，通过将实心泵浦光整形为空心泵浦光后，再利用耦合***将泵浦光耦合进入激光谐振腔，以轴向端面泵浦的方式，在增益介质中形成中空形式的增益区，通过激光振荡，实现空心激光光束的直接输出，具体步骤如下：

(1)激光器产生的实心光束，经整形***整形为中空的环形泵浦光；

(2)该中空的环形泵浦光，沿光轴入射到耦合***，该耦合***将所述环形泵浦光变换成合适直径大小的空心光束；

(3)该空心光束从激光谐振腔的一端面耦合进入谐振腔，对激光器增益介质进行泵浦，通过相位控制使得所述谐振腔中的增益介质吸收泵浦光产生连续的空心激光输出。

作为本发明的改进，所述连续的空心激光通过连续改变入射光束的相位，使得谐振腔内只有一种相位模式能够持续振荡而实现。

作为本发明的改进，所述入射光束相位的连续改变通过一设置在谐振腔中的螺旋相位板实现，该螺旋相位板为光学厚度与旋转方位角成正比的相位衍射光学元件。

按照本发明的另一方面，提供一种输出空心光束的装置，用于实现将实心泵浦光变换为连续的空心泵浦光束，其特征在于，该装置包括：

整形***，其设置在输入的实心光束后，用于将该实心光束整形为空心光束；

泵浦光耦合***，其沿光路设置在所述整形***后，用于将所述空心光束变换成合适直径大小的空心光束；

激光谐振腔，其沿光路设置在所述耦合***后，所述合适直径大小的空心光束从该激光谐振腔的一端面耦合进入谐振腔，对激光器增益介质进行泵浦，通过相位控制使得所述谐振腔中的增益介质吸收泵浦光产生连续的空心激光输出。

作为本发明的改进，所述整形***由外圆锥面反射镜和与之同轴放置的具有相同顶角的环形中空内圆锥面反射镜构成，即外圆锥面反射镜的发射面与环形中空内圆锥面反射镜的反射面平行，入射光光轴与外圆锥面反射镜和环形中空内圆锥面反射镜的旋转对称轴重合，光束从外圆锥面反射镜处入射，反射光为以光轴为中心的发散环形光束，其经环形中空内圆锥面反射镜反射后，以与最初进入整形***的入射光束平行的方式出射，即为与光轴平行的空心光束。

作为本发明的改进，所述整形***由内圆锥面反射镜和与之相对放置的具有相同顶角的外圆锥面反射镜构成，该内圆锥面反射镜旋转对称轴与入射光束光轴成135°夹角，外圆锥面反射镜的旋转对称轴与内圆锥面反射镜旋转对称轴平行，内圆锥面反射镜与外圆锥面反射镜顶点连线与入射光束光轴垂直。

作为本发明的改进，所述整形***由内圆锥面透镜和与之同轴放置的具有相同顶角、相同折射率的外圆锥面透镜构成，两透镜均是一侧为平面，一侧为圆锥面的镜体结构，其中圆锥面的旋转对称轴与平面垂直，且与入射光束的光轴同轴。

作为本发明的改进，所述端面泵浦耦合通过球面透镜组合或者柱面透镜组合进行耦合、由自聚焦透镜进行耦合或通过光纤耦合实现。

作为本发明的改进，所述激光谐振腔4包括沿光轴依次设置的镜片、螺旋相位板、增益介质、焦距均为f的柱面镜构成的柱面镜***要以及设在两柱面镜之间与两柱面镜的距离均为f的镜片，光束从所述镜片入射，在镜片和镜片之间来回振荡，其中所述光束每通过一次螺旋相位板，相位因子就会增加使得只输出单一相位模式的单一高阶光束，从而形成连续的空心光束。

作为本发明的改进，所述增益介质为YAG棒。

本发明中，入射的泵浦光可以是实心的，实心泵浦光先入射到一个整形***，通过整形输出的泵浦光变为空心的环形泵浦光。

本发明中，实心泵浦光可以为半导体激光器发出的实心激光束，耦合***可以为半导体激光耦合***。

总体而言，本发明的装置和方法相对于现有技术，其通过将入射的泵浦光从通常的实心形式改变成为空心形式，使激光振荡的轴心部分没有增益，再通过相位控制，得到空心激光光束输出，具有实现简单、可靠性高、转换效率高和输出功率高的优点。

附图说明

图1为按照本发明实施例的装置结构示意图；

图2为图1中整形***的一个实施例的结构示意图；

图3为图1中整形***另一个实施例的结构示意图；

图4为图1中整形***再一个实施例的结构示意图；

图5为图1中耦合***示意图；

图6为图1中激光谐振腔示意图；

图7为图6中螺旋相位板示意图；

图8为单一LG简并模式激光光束叠加过程示意图；

图9为LG_0,+l模式光束的相位因子在谐振腔中往返传输的过程分析；

图10为LG_0,-l模式光束的相位因子在谐振腔中往返传输的过程分析；

在所有附图中，同样的附图标记代表相同的技术特征，其中，1-泵浦光，2-整形***，3-耦合***，4-激光谐振腔，5-空心输出光束。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

半导体激光器发出的光束为实心光束，但其光束在快轴和慢轴方向上是象散光束，通过普通透镜准直，即可以得到圆形实心的输出光束，以作为本发明实施例图1中的泵浦光1。

泵浦光1通过整形***2，使得实心光束变为空心光束。本发明中的整形***用于将实心光束整形为空心光束，其具体的装置和方法有多种，下面是优选的三种整形***具体结构。

如图2所示，本实施例的整形***2由外圆锥面反射镜201和与之同轴放置的具有相同顶角的环形中空内圆锥面反射镜202构成，即外圆锥面反射镜201的发射面与环形中空内圆锥面反射镜202的反射面平行，入射光光轴与外圆锥面反射镜201和环形中空内圆锥面反射镜202的旋转对称轴重合，光束从外圆锥面反射镜201处入射，反射光为以光轴为中心的发散环形光束，由于环形中空内圆锥面反射镜202的反射面与外圆锥面反射镜201的反射面平行，因此光束再经过环形中空内圆锥面反射镜202反射后，会以与最初进入整形***的入射光束平行的方式出射，即为与光轴平行的空心光束。

如图3所示，本发明另一实施例的整形***2’由内圆锥面反射镜203和与之相对放置的具有相同顶角的外圆锥面反射镜204构成，内圆锥面反射镜203旋转对称轴与入射光束光轴成135°夹角，外圆锥面反射镜204的旋转对称轴与内圆锥面反射镜203旋转对称轴平行，内圆锥面反射镜203与外圆锥面反射镜204顶点连线与入射光束光轴垂直，光束整形过程与1相同。

如图4所示，本发明又一实施例的整形***2’’由内圆锥面透镜205和与之同轴放置的具有相同顶角、相同折射率的外圆锥面透镜206构成，两透镜均是一侧为平面，一侧为圆锥面的镜体结构，其中圆锥面的旋转对称轴与平面垂直，且与入射光束的光轴同轴。入射光束从内圆锥面透镜205的平面一侧入射，再从圆锥面侧出射时，由于折射效应，光束会向远离光轴方向偏折，然后光束从外圆锥面透镜206的外圆锥面侧入射，再次发生折射，而由于两次折射的折射面平行，折射率也相同，出射光束会与入射到内圆锥面透镜205的光束平行，即为光轴平行的空心光束。

经上述整形***2整形获得空心激光光束即空心泵浦光束，其然后以端面泵浦的方式耦合进入激光谐振腔对增益介质进行泵浦。

本实施例优选的端面泵浦耦合方式有以下几种：1)组合透镜***聚光：用球面透镜组合或者柱面透镜组合进行耦合。2)自聚焦透镜耦合：由自聚焦透镜取代组合透镜进行耦合，优点是结构简单，准直光斑的大小取决于自聚焦透镜的数值孔径。3)光纤耦合：指用带尾纤输出的LD进行泵浦耦合，优点是结构灵活。图5为由组合透镜构成的耦合***示意图，光束半径较大的空心光束经透镜组后，输出更易进行泵浦的细空心光束，提高泵浦效率。

入射的空心泵浦光激励激光谐振腔中的增益介质，由于激光振荡的轴心部分没有增益，因此通常率先振荡的LG_0,0模的增益低于高阶模式被压制，空心的高阶模式则率先振荡输出，得到空心光束。通过整形***和耦合***对环形泵浦光的环状光斑大小精确的控制，使谐振腔中形成特定的高阶LG_0,±l模式振荡。图6为本发明一个实施例的激光谐振腔示意图，泵浦光经镜片401入射，在镜片401和镜片405之间来回振荡，增益介质403为YAG棒，其中镜片401为泵浦光全透，1064nm全反，镜片405对1064nm光具有一定的反射率（非全反），激光光束由镜片405输出。

由于LG_0,+l和LG_0,-l具有相同的径向分布，因此，常规激光谐振腔内这两种相位模式将一起振荡，并稳定存在，在这种情况下，两个中空环形光束LG_0,+l和LG_0,-l叠加在一起后，形成的空心光束为旁瓣形式，如图8所示。为了得到连续的空心光束，需要使谐振腔内只有一种相位模式能够持续振荡，本发明在谐振腔中加入了螺旋相位板402和柱面镜***。其中，螺旋相位板402（如图7所示）是一种光学的厚度与旋转方位角成正比的纯相位衍射光学元件，用来改变入射光束的相位。柱面镜***由焦距均为f的柱面镜404、406构成，柱面镜404和柱面镜406相距为2f，并且两柱面镜相对镜片405左右对称，即镜片405与两柱面镜的距离均为f。

LG_0,+l模式具有exp（+ilθ）相位项，LG_0,-l模式具有exp（-ilθ）相位项，（图9和图10中的+l代表相位因子为exp(+ilθ)的LG_0,+l模式光束，-l代表相位因子为exp(-ilθ)的LG_0,-l模式光束）。光束每通过一次螺旋相位板402，相位因子就会增加l；当相位因子为±l的光束通过柱面镜***时，相位因子会取反变为ml（光束通过柱面镜404后由镜片405反射再通过柱面镜404的效果与依次通过柱面镜404、镜片405、柱面镜406的效果相同）。

以增益介质403右侧计为光束振荡的起始位置，LG_0,+l模式在腔内往返一周之后，相位因子仍为+l，满足自再现的相位分布，该LG_0,+l模式可以在谐振腔内稳定振荡，如图9所示。而LG_0,-l模式在腔内往返一周之后，相位因子变为+3l，不满足自再现的相位分布，该LG_0,-l模式在谐振腔内会受到抑制无法继续振荡。因此，在谐振腔内加入螺旋相位板402和柱面镜***后，激光器会只输出单一相位模式的单一高阶光束，这样得到的空心光束就不再是普通的旁瓣光束，而是连续的空心光束了。

谐振腔中还可以增加调Q器件，形成脉冲Q关激光器，输出环形的调Q脉冲光束；也可以增加调制，形成锁模振荡输出环形锁模脉冲；另外还可以增加倍频或其他频率转换器件，输出倍频或其他频率转换的环形光束。

本发明所述的得到空心激光光束的方法，采用腔内器件将普通实心泵浦光束变换为空心泵浦光束。利用该方法得到的空心光束的能量更加集中在环上，通过对环形泵浦光的环状光斑大小和激光谐振腔内振荡光束相位的控制，实现空心模式光束输出。该方法较之以前的方法具有输出激光光束质量好，同时由于能量集中更加集中在环上，使得输出空心光束的斜率效率更高，可以为较高功率空心光束输出提供一种可行的方法。同时，使用该方法得到空心激光光束的装置，具有成本低，装配简单和容易调节的特点。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种输出空心光束的方法，通过将实心泵浦光整形为空心泵浦光后，再利用耦合***将泵浦光耦合进入激光谐振腔，以轴向端面泵浦的方式，在增益介质中形成中空形式的增益区，通过激光振荡，实现空心激光光束的直接输出，具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述的输出空心光束的方法，其特征在于，所述连续的空心激光通过连续改变入射光束的相位，使得谐振腔内只有一种相位模式能够持续振荡而实现。

3.根据权利要求2所述的输出空心光束的方法，其特征在于，所述入射光束相位的连续改变通过一设置在谐振腔中的螺旋相位板实现，该螺旋相位板为光学厚度与旋转方位角成正比的相位衍射光学元件。

4.一种输出空心光束的装置，用于实现将实心泵浦光变换为连续的空心泵浦光束，其特征在于，该装置包括：

整形***（2），其设置在输入的实心光束后，用于将该实心光束整形为空心光束；

泵浦光耦合***（3），其沿光路设置在所述整形***（2）后，用于将所述空心光束变换成合适直径大小的空心光束；

激光谐振腔（4），其沿光路设置在所述耦合***（3）后，所述合适直径大小的空心光束从该激光谐振腔（4）的一端面耦合进入谐振腔，对激光器增益介质进行泵浦，通过相位控制使得所述谐振腔中的增益介质吸收泵浦光产生连续的空心激光输出。

5.根据权利要求4所述的输出空心光束的装置，其特征在于，所述整形***（2）由外圆锥面反射镜（201）和与之同轴放置的具有相同顶角的环形中空内圆锥面反射镜（202）构成，即外圆锥面反射镜（201）的发射面与环形中空内圆锥面反射镜（202）的反射面平行，入射光光轴与外圆锥面反射镜（201）和环形中空内圆锥面反射镜（202）的旋转对称轴重合，光束从外圆锥面反射镜（201）处入射，反射光为以光轴为中心的发散环形光束，其经环形中空内圆锥面反射镜（202）反射后，以与最初进入整形***的入射光束平行的方式出射，即为与光轴平行的空心光束。

6.根据权利要求4所述的输出空心光束的装置，其特征在于，所述整形***（2’）由内圆锥面反射镜（203）和与之相对放置的具有相同顶角的外圆锥面反射镜（204）构成，该内圆锥面反射镜（203）旋转对称轴与入射光束光轴成135°夹角，外圆锥面反射镜（204）的旋转对称轴与内圆锥面反射镜（203）旋转对称轴平行，内圆锥面反射镜（203）与外圆锥面反射镜（204）顶点连线与入射光束光轴垂直。

7.根据权利要求4所述的输出空心光束的装置，其特征在于，所述整形***2’’由内圆锥面透镜（205）和与之同轴放置的具有相同顶角、相同折射率的外圆锥面透镜（206）构成，两透镜均是一侧为平面，一侧为圆锥面的镜体结构，其中圆锥面的旋转对称轴与平面垂直，且与入射光束的光轴同轴。

8.根据权利要求5-7中任一项所述的输出空心光束的装置，其特征在于，所述端面泵浦耦合通过球面透镜组合或者柱面透镜组合进行耦合、由自聚焦透镜进行耦合或通过光纤耦合实现。

9.根据权利要求5-8中任一项所述的输出空心光束的装置，其特征在于，所述激光谐振腔（4）包括沿光轴依次设置的镜片（401）、螺旋相位板（402）、增益介质（403）、焦距均为f的两柱面镜（404、406）构成的柱面镜***以及设在两柱面镜（404、406）之间与两柱面镜的距离均为f的镜片（405），光束从所述镜片（401）入射，在该镜片（401）和镜片（405）之间来回振荡，其中所述光束每通过一次螺旋相位板（403），相位因子就会增加使得只输出单一相位模式的单一高阶光束，从而形成连续的空心光束。

10.根据权利要求5-8中任一项所述的输出空心光束的装置，其特征在于，所述增益介质（403）为YAG棒。