CN106785872A - 基于锥形折射环形光泵浦的拉盖尔-高斯光束固体激光器 - Google Patents

基于锥形折射环形光泵浦的拉盖尔-高斯光束固体激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于锥形折射环形光泵浦的拉盖尔-高斯光束固体激光器，包括泵浦源，沿该泵浦源输出光方向、且同光轴的依次放置的聚焦透镜、双轴晶体、激光增益介质和激光输出镜；所述的双轴晶***于聚焦透镜的一倍焦距以内。本发明将泵浦光转换为环形泵浦光，转换效率接近于100％，转换效率高，从而使泵浦光到输出拉盖尔-高斯激光时的光-光效率高，且转换装置对温度环境没有特殊要求，不用加冷却装置，适应性强，具有结构简单、易实现的特点。

Description

基于锥形折射环形光泵浦的拉盖尔-高斯光束固体激光器
技术领域
本发明属于固体激光器技术，特别涉及一种基于双轴晶体锥形折射环形光泵浦的高效率一阶或更高阶的拉盖尔-高斯光束固体激光器。
背景技术
近年来，柱状矢量光束和涡旋光束愈来愈受到人们的关注。它们的共同特点是是其光斑的中心强度为零且其振幅可用一阶或更高阶的拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian,LG)函数来表征。柱状矢量光束的典型代表包括径向偏振激光和角向偏振激光，其电场矢量指向光斑横截面的半径或者切线方向，在光斑中心存在偏振奇点因而中心振幅为零。涡旋光束是指沿着光传播方向具有螺旋形波前相位的光束，光斑中心存在相位奇点，这种特性导致该光束具有轨道角动量。目前柱状矢量光束和涡旋光束已经广泛应用于原子冷却和囚禁、粒子导引和捕获、高分辨显微等重要领域。
产生柱状矢量光束或者涡旋光束的方法包括被动法和主动法。被动法主要利用各种光学元件对腔外激光光束进行整形，这些器件包括空间光调制器、空间光变换延迟器、少模光纤等。然而利用此方法获得的柱状矢量光束或者涡旋光束的功率较低(主要受所用器件的损伤阈值所限)，且光束质量较差。主动法主要是利用激光器直接输出柱状矢量光束或者涡旋光束，具有光束质量好和功率高等优势。主动法通常需要在激光器腔内放置轴对称偏振元件或者衍射光学元件来迫使激光器产生矢量偏振光束或者涡旋光束振荡，因此对腔内元件的光学质量有较高要求，从而导致成本上升。
然而利用环形光泵浦的方式可避免使用腔内选模元件。环形泵浦光泵浦固体激光器，是指在激光增益介质内环形泵浦光与一阶或更高阶的拉盖尔-高斯光束产生空间模式匹配，通过对腔内横模模式的选择使激光器输出一阶或更高阶的拉盖尔-高斯光束。在该方法中，环形泵浦光束是多种不同横向模式的叠加，亮度低，方向性差，不能很好的进行空间传播，但当利用它泵浦固体激光器时则可产生高功率、高光束质量的拉盖尔-高斯光。目前产生环形泵浦光的方法包括多模光纤离焦耦合法(Chin.Opt.Lett.,Vol.13No.3,031405,2015)、空心毛细石英光纤法(Opt.Commun.,Vol.296,P.109,2013)等。但是这些方法总体上来说都存在对环形泵浦光转换效率不高的问题(约在40％至75％)，从而导致激光器输出拉盖尔-高斯光束时的整体光-光效率不高。
为解决形成环形泵浦光时转换效率低的问题，本发明提出利用双轴晶体锥形折射产生的环形光来泵浦固体激光器，从而高效地产生拉盖尔-高斯光。双轴晶体的锥形折射(Proc.SPIE,Vol.6994,69940B,2008)是指激光光束聚焦之后通过沿着晶体任意一个光轴方向切割的双轴晶体，当泵浦光束通过双轴晶体之后会在透镜焦点之后形成环形的强度分布，其转换效率接近于100％。这有效地减少了利用其它方式形成环形泵浦光场时的功率损失，从而更高效地从固体激光器的增益介质中提取拉盖尔-高斯光束的增益。
发明内容
本发明针对环形光泵浦的拉盖尔-高斯光束固体激光器，为解决形成环形泵浦光时转换效率低的缺陷，通过双轴晶体中锥形折射将泵浦光高效率的转换为环形泵浦光，利用其泵浦固体激光器，从而获得高效率的的拉盖尔-高斯光束输出。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于锥形折射环形光泵浦的拉盖尔-高斯光束固体激光器，其特点在于，包括泵浦源，沿该泵浦源输出光方向、且同光轴的依次放置的聚焦透镜、双轴晶体、激光增益介质和激光输出耦合镜；所述的双轴晶***于聚焦透镜的一倍焦距以内。
在所述的泵浦源与所述的聚焦透镜之间还可以设有四分之一波片，且该四分之一波片与所述的泵浦源输出光同光轴。
所述的泵浦源是输出为线偏振激光、部分偏振激光、圆偏振激光或者非偏振激光的激光器或者激光器***。
所述的双轴晶体是沿着其任意一个双轴晶体光轴方向切割的双轴晶体，其切割方向与泵浦源的输出光平行。
所述的激光增益介质的前表面镀有激光高反膜和泵浦光增透膜，后表面镀有激光增透膜，所述的激光高反膜作为激光器输入耦合镜与所述的激光输出耦合镜构成激光谐振腔。
所述的激光增益介质为激光晶体、激光陶瓷或激光玻璃。
所述的激光增益介质位于所述的聚焦透镜的焦点之后双轴晶体锥形折射输出圆环泵浦光中心光强最弱的位置附近。
所述的激光输出耦合镜是对于激光部分透射部分反射的平面镜或者凹面镜。
上述发明实施方案具体如下：
方案一：
一种基于锥形折射环形光泵浦的拉盖尔-高斯光束固体激光器，其构成包括输出光束为线偏振光的泵浦源，与泵浦源输出光同光轴并且沿泵浦光方向依次是四分之一波片、聚焦透镜、双轴晶体、激光增益介质、激光输出耦合镜。所述的泵浦源是输出为线偏振激光的激光器或者激光器***。所述的四分之一波片具有旋转调节的机械结构，通过旋转调节四分之一波片使得通过的泵浦光的偏振特性变为圆形偏振光。所述的双轴晶体是沿其中任意一个光轴方向切割的双轴晶体，双轴晶体切割所沿的光轴方向与泵浦光的通光光轴方向平行。这里特别指出，由于双轴晶体的两个光轴方向与波长有关，切割所沿的双轴晶体的光轴方向可以准确对应于泵浦光的波长，也可以不对应于泵浦光的波长。所述的双轴晶***于聚焦透镜之后一倍焦距以内的位置范围。所述的激光增益介质前后表面均有镀膜，前表面镀膜包括激光高反膜和泵浦光增透膜，后表面镀有激光增透膜，增益介质前表面镀有的激光高反膜作为激光器输入耦合镜与激光输出耦合镜共同构成激光谐振腔。所述的激光增益介质为激光晶体、激光陶瓷、激光玻璃。所述的激光增益介质位于聚焦透镜焦点之后双轴晶体锥形折射输出圆环泵浦光中心光强最弱的位置附近。所述的激光输出耦合镜是对于激光部分透射部分反射的平面镜或者凹面镜。
方案二：
一种基于锥形折射环形光泵浦的拉盖尔-高斯光束固体激光器，其构成包括输出光束为部分偏振光的泵浦源，与泵浦源输出光同光轴并且沿泵浦光方向依次是四分之一波片、聚焦透镜、双轴晶体、激光增益介质、激光输出耦合镜。所述的泵浦源是输出为部分偏振激光的激光器或者激光器***。所述的四分之一波片具有旋转调节的机械结构，通过旋转调节四分之一波片使得通过的泵浦光的偏振特性变为圆形偏振光。所述的双轴晶体是沿其中任意一个光轴方向切割的双轴晶体，双轴晶体切割所沿的光轴方向与泵浦光的通光光轴方向平行。这里特别指出，由于双轴晶体的两个光轴方向与波长有关，切割所沿的双轴晶体的光轴方向可以准确对应于泵浦光的波长，也可以不对应于泵浦光的波长。所述的双轴晶***于聚焦透镜之后一倍焦距以内的位置范围。所述的激光增益介质前后表面均有镀膜，前表面镀膜包括激光高反膜和泵浦光增透膜，后表面镀有激光增透膜，增益介质前表面镀有的激光高反膜作为激光器输入耦合镜与激光输出耦合镜共同构成激光谐振腔。所述的激光增益介质为激光晶体、激光陶瓷、激光玻璃。所述的激光增益介质位于聚焦透镜焦点之后双轴晶体锥形折射输出圆环泵浦光中心光强最弱的位置附近。所述的激光输出耦合镜是对于激光部分透射部分反射的平面镜或者凹面镜。
方案三：
一种基于锥形折射环形光泵浦的拉盖尔-高斯光束固体激光器，其构成包括输出光束为圆偏振光或者非偏振光束泵浦源，与泵浦源输出光同光轴并且沿泵浦光方向依次是聚焦透镜、双轴晶体、激光增益介质、激光输出耦合镜。所述的泵浦源是输出为圆偏振激光或者非偏振激光的激光器或者激光器***。所述的双轴晶体是沿其中任意一个光轴方向切割的双轴晶体，双轴晶体切割所沿的光轴方向与泵浦光的通光光轴方向平行。这里特别指出，由于双轴晶体的两个光轴方向与波长有关，切割所沿的双轴晶体的光轴方向可以准确对应于泵浦光的波长，也可以不对应于泵浦光的波长。所述的双轴晶***于聚焦透镜之后一倍焦距以内的位置范围。所述的激光增益介质前后表面均有镀膜，前表面镀膜包括激光高反膜和泵浦光增透膜，后表面镀有激光增透膜，增益介质前表面镀有的激光高反膜作为激光器输入耦合镜与激光输出耦合镜共同构成激光谐振腔。所述的激光增益介质为激光晶体、激光陶瓷、激光玻璃。所述的激光增益介质位于聚焦透镜焦点之后双轴晶体锥形折射输出圆环泵浦光中心光强最弱的位置附近。所述的激光输出耦合镜是对于激光部分透射部分反射的平面镜或者凹面镜。
下面分别结合上述三种技术解决方案，阐述本发明的原理。
方案一：线偏振的泵浦光经过四分之一波片后会变成圆偏振光，一束圆偏振泵浦激光经透镜聚焦后通过沿任意一个光轴方向切割的双轴晶体后会产生内锥折射现象，也就是通过双轴晶体后在一段的距离内激光会变成环形激光传播，将激光晶体全部或者部分置于这段环形激光输出的范围内，此时激光晶体与激光输出耦合镜一起就形成环形激光泵浦固体激光器，在超过激光器泵浦阈值之后，继续提高泵浦功率，输出耦合镜之后就可以获得拉盖尔-高斯激光输出。
方案二：部分偏振的泵浦光经过四分之一波片后调节四分之一波片的快轴方向，可以使泵浦光变成非偏振光，一束非偏振泵浦激光经透镜聚焦后通过沿任意一个光轴方向切割的双轴晶体后会产生内锥折射现象，也就是通过双轴晶体后在一段的距离内激光会变成环形激光传播，将激光晶体全部或者部分置于这段环形激光输出的范围内，此时激光晶体与激光输出耦合镜一起就形成环形激光泵浦固体激光器，在超过激光器泵浦阈值之后，继续提高泵浦功率，输出耦合镜之后就可以获得拉盖尔-高斯激光输出。
方案三：圆偏振的或者非偏振的泵浦光经透镜聚焦，然后通过沿任意一个光轴方向切割的双轴晶体后会产生内锥折射现象，也就是通过双轴晶体后在一段的距离内激光会变成环形激光传播，将激光晶体全部或者部分置于这段环形激光输出的范围内，此时激光晶体与激光输出耦合镜一起就形成环形激光泵浦固体激光器，在超过激光器泵浦阈值之后，继续提高泵浦功率，输出耦合镜之后就可以获得拉盖尔-高斯激光输出。
本发明具有如下优点：
1、通过双轴晶体的锥形折射将泵浦光转换为环形泵浦光，转换效率接近于100％，转换效率高，从而使泵浦光到输出拉盖尔-高斯激光时的光-光效率高；
2、通过双轴晶体锥形折射将泵浦光转换为环形泵浦光，结构简单，易实现；
3、通过双轴晶体锥形折射将泵浦光转换为环形泵浦光，对温度环境没有特殊要求，不用加冷却装置，装置适应性强；
4、本发明采用的是端泵耦合***，激光增益介质的前表面镀有的激光高反膜与激光输出耦合镜构成平平腔或者平凹腔，可以获得高质量的拉盖尔-高斯光束输出。
附图说明
图1是本发明基于锥形折射环形光泵浦的拉盖尔-高斯光束固体激光器的第一实施例示意图。
图2是本发明基于锥形折射环形光泵浦的拉盖尔-高斯光束固体激光器的第二实施例示意图。
图3是本发明基于锥形折射环形光泵浦的拉盖尔-高斯光束固体激光器的第三实施例示意图。
图中，1-泵浦源、2-四分之一波片、3-聚焦透镜、4-双轴晶体、5-激光增益介质、6-激光输出耦合镜。
具体实施方式
以下分别结合所附图和实施例对本发明三种方案实施方式进行说明。
实施例1：
结合示意图1，一种基于双轴晶体锥形折射环形光泵浦的高效率一阶或更高阶的拉盖尔-高斯光束固体激光器，包括输出光束为线偏振光的泵浦源1、四分之一波片2、聚焦透镜3、双轴晶体4、激光增益介质5和激光输出镜6，其中四分之一波片2、聚焦透镜3、双轴晶体4、激光增益介质5和激光输出镜6与输出光束为线偏振光的泵浦源1的泵浦光同光轴。
泵浦源1发出的线偏振光通过四分之一波片2后变成圆偏振泵浦光，之后圆偏振泵浦光经过聚焦透镜3聚焦后通过双轴晶体4后产生锥形折射现象，在双轴晶体4后的一段距离内泵浦光会变为环形泵浦光传播，激光晶体5的全部或者部分置于这段距离之内，这样激光晶体5与后面的激光输出耦合镜6就构成了环形光泵浦的固体激光器，在泵浦光达到阈值产生激光输出后，继续提高功率，就可以获得拉盖尔-高斯激光光束输出。
实施例2：结合示意图2，一种基于双轴晶体锥形折射环形光泵浦的高效率一阶或更高阶的拉盖尔-高斯光束固体激光器，包括输出光束为部分偏振光的泵浦源1、四分之一波片2、聚焦透镜3、双轴晶体4、激光增益介质5和激光输出镜6，其中四分之一波片2、聚焦透镜3、双轴晶体4、激光增益介质5和激光输出耦合镜6与输出光束为部分偏振光的泵浦源1的泵浦光同光轴。
泵浦源1发出的部分偏振光通过四分之一波片2后，调节四分之一波片快轴方向使得泵浦光变成非偏振泵浦光，之后非偏振泵浦光经过聚焦透镜3聚焦后通过双轴晶体4后产生锥形折射现象，在双轴晶体4后的一段距离内泵浦光会变为环形泵浦光传播，激光晶体5的全部或者部分置于这段距离之内，这样激光晶体5与后面的激光输出耦合镜6就构成了环形光泵浦的固体激光器，在泵浦光达到阈值产生激光输出后，继续提高功率，就可以获得拉盖尔-高斯激光光束输出。
实施例3：结合示意图3，一种是基于双轴晶体锥形折射环形光泵浦的高效率一阶或更高阶的拉盖尔-高斯光束固体激光器，包括输出光束为圆偏振光或者非偏振光束泵浦源1、聚焦透镜3、双轴晶体4、激光增益介质5和激光输出耦合镜6，其中聚焦透镜3、双轴晶体4、激光增益介质5和激光输出镜6与输出光束为圆偏振光或者非偏振光束泵浦源1的泵浦光同光轴。
泵浦源1发出的非偏振泵浦光经过聚焦透镜3聚焦，然后通过双轴晶体4后产生锥形折射现象，在双轴晶体4后的一段距离内泵浦光会变为环形泵浦光传播，激光晶体5的全部或者部分置于这段距离之内，这样激光晶体5与后面的激光输出耦合镜6就构成了环形光泵浦的固体激光器，在泵浦光达到阈值产生激光输出后，继续提高功率，就可以获得拉盖尔-高斯激光光束输出。
上述3个实施例中的双轴晶体4是沿着其任意一个光轴方向切割的双轴晶体，双轴晶体4的切割所沿光轴方向分别与泵浦源的泵浦光的通光光轴方向平行。由于双轴晶体4的两个光轴方向与波长有关，切割所沿的双轴晶体4的光轴方向可以准确对应于泵浦光的波长，也可以不对应于泵浦光的波长。
激光增益介质5可以是激光晶体，比如掺钕的钇铝石榴石晶体，也可以是激光玻璃或者激光陶瓷。
激光增益介质5前表面镀有泵浦光增透膜和激光高反膜，后表面镀有激光增透膜，激光增益介质5前表面镀的激光高反膜与激光输出耦合镜6共同构成本发明激光器的激光谐振腔。
激光输出耦合镜6是对于激光部分透射部分反射的平面镜或者凹面镜，用于激光输出。

Claims (8)

1.一种基于锥形折射环形光泵浦的拉盖尔-高斯光束固体激光器，其特征在于，包括泵浦源(1)，沿该泵浦源输出光方向、且同光轴的依次放置的聚焦透镜(3)、双轴晶体(4)、激光增益介质(5)和激光输出耦合镜(6)；所述的双轴晶体(4)位于聚焦透镜(3)的一倍焦距以内。
2.根据权利要求1所述的基于锥形折射环形光泵浦的拉盖尔-高斯光束固体激光器，其特征在于，在所述的泵浦源(1)与所述的聚焦透镜(3)之间还设有四分之一波片(2)，且该四分之一波片(2)与所述的泵浦源输出光同光轴。
3.根据权利要求1或2所述的基于锥形折射环形光泵浦的拉盖尔-高斯光束固体激光器，其特征在于，所述的泵浦源(1)是输出为线偏振激光、部分偏振激光、圆偏振激光或者非偏振激光的激光器或者激光器***。
4.根据权利要求1或2所述的基于锥形折射环形光泵浦的拉盖尔-高斯光束固体激光器，其特征在于，所述的双轴晶体(4)是沿着其任意一个双轴晶体光轴方向切割的双轴晶体，其切割方向与泵浦源的输出光平行。
5.根据权利要求1或2所述的基于锥形折射环形光泵浦的拉盖尔-高斯光束固体激光器，其特征在于，所述的激光增益介质(5)的前表面镀有激光高反膜和泵浦光增透膜，后表面镀有激光增透膜，所述的激光高反膜作为激光器输入耦合镜与所述的激光输出耦合镜构成激光谐振腔。
6.根据权利要求1或2所述的基于锥形折射环形光泵浦的拉盖尔-高斯光束固体激光器，其特征在于，所述的激光增益介质(5)为激光晶体、激光陶瓷或激光玻璃。
7.根据权利要求1或2所述的基于锥形折射环形光泵浦的拉盖尔-高斯光束固体激光器，其特征在于，所述的激光增益介质(5)位于所述的聚焦透镜(3)的焦点之后双轴晶体锥形折射输出圆环泵浦光中心光强最弱的位置附近。
8.根据权利要求1或2所述的基于锥形折射环形光泵浦的拉盖尔-高斯光束固体激光器，其特征在于，所述的激光输出耦合镜(6)是对于激光部分透射部分反射的平面镜或者凹面镜。
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