CN105958311A - 球差调控热稳区及激光定型放大双矩形空心激光器 - Google Patents

球差调控热稳区及激光定型放大双矩形空心激光器 Download PDF

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Abstract

球差调控热稳区及激光定型放大双矩形空心激光器属于激光技术领域。本发明由本振级和放大级构成；本振泵浦、聚焦耦合镜组、全反腔镜、本振增益介质棒、辅助透镜、本振输出耦合镜依次光学同轴排列；全反腔镜为平凹透镜，凹面朝向本振增益介质棒；本振泵浦的输出功率为10～40W，辅助透镜为正透镜；放大级泵浦光源中的圆锥透镜组由两个相背放置的正圆锥镜组成；中透射反射镜位于圆锥透镜组输出端一侧的光轴上，并与光轴呈45°角；放大增益介质棒位于中透射反射镜的光反射一侧与外透射反射镜之间，外透射反射镜与放大增益介质棒的光轴垂直。本发明利用球差调控热稳区获得双半高斯空心谐振光，采用反双半高斯空心泵浦光定型放大所述双半高斯空心谐振光，得到双矩形空心激光。

Description

球差调控热稳区及激光定型放大双矩形空心激光器
技术领域
本发明涉及一种球差调控热稳区及激光定型放大双矩形空心激光器，利用球差调控热稳区获得双半高斯空心谐振光，采用反双半高斯空心泵浦光定型放大所述双半高斯空心谐振光，得到双矩形空心激光，属于激光技术领域。
背景技术
空心激光是一种在传播方向上中心光强为零的环状光束，被称为“空心光束”或“暗中空光束”。空心光束具有筒状强度分布、较小的暗斑尺寸和传播不变性、自旋以及轨道角动量等特点，使得空心光束能够用作激光导管、光学镊子和光学扳手，用来精确操纵和控制微米粒子、纳米粒子和生物细胞等微观粒子。
现有获得空心光束的方法有几何光学方法、模式转换方法、计算全息法等，获得了诸如面包圈空心光束、高阶贝塞尔光束、局域空心光束等，不过，所获得的空心光束的光强分布依然为高斯分布，不同以往的是这种空心光束为双半高斯空心光束或者反双半高斯空心光束，其光强分布如图1或者图2所示。例如，专利号为ZL200810051203.8、名称为“准双半高斯空心激光束形成装置”的一件中国发明专利公开了一项依几何光学方法获得空心光束的技术方案。如图3所示，实心高斯激光从凹球面反射镜a的入射孔b照射到正轴锥面反射镜c上，反射后被转换成发散的空心圆锥激光，由凹球面反射镜a反射，再由正透镜d准直，得到准直的空心圆筒激光。与入射的实心高斯激光相比，出射的空心圆筒激光是一种双半高斯空心光束。
然而，不论是双半高斯空心光束还是反双半高斯空心光束，虽然前者的内壁、后者的外壁的光强呈阶跃式变化，但是，前者的外壁、后者的内壁的光强就都不是阶跃式变化了，并且，从光束内壁到外壁，光强按高斯函数递减或者递增，这种空心光束对中性原子不具有高效Sisyphus冷却效果，要想获得这一效果，就要求光束的内壁、外壁光强都呈阶跃式变化，且从光束内壁到外壁，光强不变，如图4所示，这种空心光束称为双矩形空心光束，双矩形空心光束具有极高的强度梯度，可望达到甚至超过消逝波光场的强度梯度，然而，这只是一类设计中的空心光束，现有技术尚未获得这种空心光束。
另外，所述现有技术是在激光器之外采取技术措施获得空心光束，作为一个整体，装置的结构变得复杂、体积增大、成本提高。
发明内容
为了获得一种双矩形空心光束，我们发明了一种球差调控热稳区及激光定型放大双矩形空心激光器。
本发明之球差调控热稳区及激光定型放大双矩形空心激光器其特征在于，如图5、图6所示，由本振级和放大级构成；在本振级中，本振泵浦1、聚焦耦合镜组2、全反腔镜3、本振增益介质棒4、辅助透镜5、本振输出耦合镜6依次光学同轴排列；聚焦耦合镜组2由两个平凸透镜构成，且凸面相对；全反腔镜3为平凹透镜，凹面朝向本振增益介质棒4；当本振泵浦1的输出功率为10～40W时，辅助透镜5为正透镜，当本振泵浦1的输出功率为41～80W时，辅助透镜5为负透镜；输出耦合镜6为平面镜；在放大级中，放大泵浦7、准直镜组8、圆锥透镜组9依次光学同轴排列构成一个泵浦光源；准直镜组8为望远镜；圆锥透镜组9由两个相背放置的正圆锥镜组成；中透射反射镜10位于圆锥透镜组9输出端一侧的光轴上，并与光轴呈45°角；放大增益介质棒11位于中透射反射镜10的光反射一侧与外透射反射镜12之间，外透射反射镜12与放大增益介质棒11的光轴垂直；当放大级采用两个泵浦光源时，外透射反射镜12与放大增益介质棒11的光轴呈45°角，同时位于增设泵浦光源中的圆锥透镜组9输出端一侧的光轴上，并与该光轴呈45°角；本振增益介质棒4与放大增益介质棒11的激射波长相同；中透射反射镜10及外透射反射镜12对激射波长高透、对放大级泵浦光高反。
本发明其技术效果如下所述。本发明之激光器的本振级产生并向放大级输出双半高斯空心光束。本振增益介质棒4吸收泵浦光后其热导率和热光系数随温度变化，产生热透镜效应，由于球差的原因，不同阶模式的激光具有不同的热透镜焦距值，这将使得不同阶本征模式的动力稳定区发生分离。为了说明这一过程，假定激光器谐振腔的长臂为350mm、短臂为50mm，TEM01*和TEM10模的热透镜焦距分别为TEM00的1.1倍和1.2倍，计算得到的不同阶的动力稳定区，如图7所示，可见，各阶模式的第一动力稳定区基本重合，而第二动力稳定区却有较大的分离，若将工作点设定在泵浦功率60～63W区域，则只有TEM01*模式能够形成稳定振荡，产生空心光束，而其它模式都因不能满足稳定性条件而无法起振。据此，本发明本振级利用热透镜效应带来的球差调控热稳区产生空心光束输出，具体为双半高斯空心谐振光。详述如下。辅助透镜5结合本振增益介质棒4热透镜调节腔内谐振光球差，并且，当本振泵浦1的输出功率较低也就是10～40W时，由热透镜效应引起的球差较小，此时，通过调整谐振腔的参数，如全反腔镜3、本振输出耦合镜6的曲率半径，长臂、短臂的比例，都不足以使得其他两个低阶模式在第二动力稳定区发生明显地分离时，可通过增大辅助透镜5的球差如将辅助透镜5设计为正透镜且增大其曲率半径如150mm来实现；当本振泵浦1的输出功率较高也就是41～80W时，热透镜效应较为严重，由热透镜效应引起的球差过大，此时，将辅助透镜5设计为负透镜，曲率半径为-100mm，如此既缓解了热透镜效应，又可以调节不同模式在第二动力稳定区的最佳工作点。在几个低阶模式的第二动力稳定区出现较明显的分离情况下，将泵浦功率选择在只允许TEM01*模能够起振的范围内，则其它低阶模式TEM00、TEM01由于损耗过大而受到TEM01*模的压制，由于泵浦光为高斯光束，本振级输出的谐振光最终为双半高斯空心谐振光。
在放大级中，放大泵浦7发出的泵浦光原本也是高斯光束，经过准直镜组8入射圆锥透镜组9，如图8所示，由第一个正圆锥镜折射后，形成发散的空心圆锥光束，且高斯光束的中心光线A被折射后成为空心圆锥光束的外壁光线，高斯光束的边缘光线B被折射后成为空心圆锥光束的内壁光线；所述空心圆锥光束由第二个正圆锥镜折射后，形成平行的空心圆筒光束，其外壁光线的光强最强，从外壁光线到内壁光线光强以高斯函数形式减弱，因此，这是一束反双半高斯空心光束，也就是说放大级泵浦光源给出的是反双半高斯空心泵浦光。
所述反双半高斯空心泵浦光由透射反射镜10反射进入放大增益介质棒11，放大增益介质棒11内部的反转粒子数将形成从边缘到中心递减的分布格局，增益饱和效应出现对应变化。当来自本振级的双半高斯空心谐振光在通过放大级的放大增益介质棒11的过程中，双半高斯空心谐振光的外壁光线的光强较弱，增益介质的饱和程度较低，外壁光线得到较大程度的放大；双半高斯空心谐振光的内壁光线的光强较强，增益介质的饱和程度较高，内壁光线得到较小程度的放大。这就是所谓的定型放大，即采用反双半高斯空心泵浦光定型放大双半高斯空心谐振光，最终得到双矩形空心激光。
本发明不仅得到了双矩形空心激光，而且，是由激光器自身获得，因此，相比于现有技术，本发明结构简单、装置紧凑、装置总体成本相对较低。
另外，提高本振泵浦1功率及在放大级中采用两个泵浦光源，目的都是为了提高本发明之双矩形空心激光器的输出功率。
附图说明
图1是双半高斯空心光束强度分布曲线图。图2是反双半高斯空心光束强度分布曲线图。图3是现有准双半高斯空心激光束形成装置结构示意图。图4是双矩形空心光束强度分布曲线图。图5是本发明之球差调控热稳区及激光定型放大双矩形空心激光器结构示意图，该图同时作为摘要附图。图6是本发明之一种能够提高光输出功率的球差调控热稳区及激光定型放大双矩形空心激光器结构示意图。图7是平-平腔不同阶模式的动力稳定区示意图，图中：I表示低阶激光模式的第一动力稳定区，II表示低阶激光模式的第二动力稳定区，曲线1区域为TEM00模式的动力稳定区，曲线2区域为TEM01*模式的动力稳定区，曲线3区域为TEM10模式的动力稳定区，点a为设定的工作点。图8是由圆锥透镜组将高斯光束转换为反双半高斯空心光束过程示意图。
具体实施方式
如图5、图6所示，所述双矩形空心激光器由本振级和放大级构成。
在本振级中，本振泵浦1、聚焦耦合镜组2、全反腔镜3、本振增益介质棒4、辅助透镜5、本振输出耦合镜6依次光学同轴排列。本振泵浦1采用LD，泵浦光波长808nm、功率30W。聚焦耦合镜组2由两个平凸透镜构成，且凸面相对；平凸透镜焦距50mm，每个平凸透镜的两个镜面都镀有透过率大于99.5％的808nm增透膜。全反腔镜3为平凹透镜，凹面朝向本振增益介质棒4；全反腔镜3曲率半径为100mm，平凹透镜的两个镜面都镀有透过率大于99.5％的808nm增透膜，平凹透镜的凹镜面还镀有反射率大于99.9％的1064nm高反膜。本振增益介质棒4为Φ5×10mm的Nd:YAG晶体棒，晶体棒的两个端面都镀有透过率大于99.9％的1064nm增透膜。当本振泵浦1的输出功率为10～40W时，辅助透镜5为正透镜；正透镜的曲率半径为150mm，两个镜面镀有透过率大于99.9％的1064nm增透膜。当本振泵浦1的输出功率为41～80W时，辅助透镜5为负透镜；负透镜的曲率半径为-100mm，两个镜面镀有透过率大于99.9％的1064nm增透膜。输出耦合镜6为平面镜；平面镜朝向本振增益介质棒4的镜面镀有透过率为10％的1064nm部分透过膜，另一个镜面镀有透过率大于99.9％的1064nm增透膜。
在放大级中，放大泵浦7、准直镜组8、圆锥透镜组9依次光学同轴排列构成一个泵浦光源。放大泵浦7采用LD，泵浦光波长808nm、功率50W。准直镜组8为望远镜；望远镜由正、负两个透镜组成，放大倍率为4×，正、负两个透镜的镜面都镀有透过率大于99.5％的808nm增透膜。圆锥透镜组9由两个相背放置的正圆锥镜组成；正圆锥镜材质为ZnS晶体，锥角为168°，每个正圆锥镜的两个镜面都镀有透过率大于99.5％的808nm增透膜。中透射反射镜10位于圆锥透镜组9输出端一侧的光轴上，并与光轴呈45°角；中透射反射镜10为平面镜，平面镜的两个镜面都镀有透过率大于99.5％的1064nm增透膜，平面镜朝向圆锥透镜组9的镜面还镀有反射率大于99.5％的808nm高反膜。放大增益介质棒11位于中透射反射镜10的光反射一侧与外透射反射镜12之间，外透射反射镜12与放大增益介质棒11的光轴垂直；外透射反射镜12为平面镜，平面镜的两个镜面都镀有透过率大于99.5％的1064nm增透膜；放大增益介质棒11为Φ8×15mm的Nd:YAG晶体棒，晶体棒的两个端面都镀有透过率大于99.9％的1064nm增透膜。当放大级采用两个泵浦光源时，外透射反射镜12与放大增益介质棒11的光轴呈45°角，同时位于增设泵浦光源中的圆锥透镜组9输出端一侧的光轴上，并与该光轴呈45°角；作为这一结构中的外透射反射镜12的平面镜的两个镜面都镀有透过率大于99.5％的1064nm增透膜，平面镜朝向增设泵浦光源中的圆锥透镜组9的镜面还镀有反射率大于99.5％的808nm高反膜。

Claims (5)

1.一种球差调控热稳区及激光定型放大双矩形空心激光器，其特征在于，由本振级和放大级构成；在本振级中，本振泵浦(1)、聚焦耦合镜组(2)、全反腔镜(3)、本振增益介质棒(4)、辅助透镜(5)、本振输出耦合镜(6)依次光学同轴排列；聚焦耦合镜组(2)由两个平凸透镜构成，且凸面相对；全反腔镜(3)为平凹透镜，凹面朝向本振增益介质棒(4)；当本振泵浦(1)的输出功率为10～40W时，辅助透镜(5)为正透镜，当本振泵浦(1)的输出功率为41～80W时，辅助透镜(5)为负透镜；输出耦合镜(6)为平面镜；在放大级中，放大泵浦(7)、准直镜组(8)、圆锥透镜组(9)依次光学同轴排列构成一个泵浦光源；准直镜组(8)为望远镜；圆锥透镜组(9)由两个相背放置的正圆锥镜组成；中透射反射镜(10)位于圆锥透镜组(9)输出端一侧的光轴上，并与光轴呈45°角；放大增益介质棒(11)位于中透射反射镜(10)的光反射一侧与外透射反射镜(12)之间，外透射反射镜(12)与放大增益介质棒(11)的光轴垂直；当放大级采用两个泵浦光源时，外透射反射镜(12)与放大增益介质棒(11)的光轴呈45°角，同时位于增设泵浦光源中的圆锥透镜组(9)输出端一侧的光轴上，并与该光轴呈45°角；本振增益介质棒(4)与放大增益介质棒(11)的激射波长相同；中透射反射镜(10)及外透射反射镜(12)对激射波长高透、对放大级泵浦光高反。
2.根据权利要求1所述的双矩形空心激光器，其特征在于，本振泵浦(1)、放大泵浦(7)均采用LD，泵浦光波长808nm。
3.根据权利要求1所述的双矩形空心激光器，其特征在于，本振增益介质棒(4)、放大增益介质棒(11)均采用Nd:YAG晶体棒，本振增益介质棒(4)尺寸为Φ5×10mm，放大增益介质棒(11)尺寸为Φ8×15mm。
4.根据权利要求1所述的双矩形空心激光器，其特征在于，作为输出耦合镜(6)的平面镜朝向本振增益介质棒(4)的镜面镀有透过率为10％的1064nm部分透过膜，另一个镜面镀有透过率大于99.9％的1064nm增透膜。
5.根据权利要求1所述的双矩形空心激光器，其特征在于，组成圆锥透镜组(9)的两个正圆锥镜材质为ZnS晶体，锥角为168°。
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