CN109244811B - 一种大暗斑反高斯空心激光光源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大暗斑反高斯空心激光光源，包括从左至右的凹面反射镜(1)、梯形圆锥镜(2)、凸透镜(3)、圆锥镜(4)、激光增益介质(5)、平面反射镜(6)、平面环形输出耦合镜(9)；平面反射镜(6)的正下方设置有泵浦源(7)和耦合光学***(8)；锥角α＝45°的梯形圆锥镜(2)使凸透镜(3)焦平面上所有汇聚点经其母线成像到轴上一点；凹面反射镜(1)、梯形圆锥镜(2)，凸透镜(3)和圆锥镜(4)构成望远***；高斯光束经圆锥镜(4)后变换为发散的空心光束，圆锥镜的折射使高斯光束的内外强度发生交换，形成反高斯强度分布。本发明使光束横截面光强从光环内侧向外侧呈反高斯分布逐渐增强，光束的中心具有较大暗斑尺寸。

Description

一种大暗斑反高斯空心激光光源

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特别是涉及一种大暗斑反高斯空心激光光源。

背景技术

激光器输出光强通常为高斯分布，如图1所示，但在实际应用中需要对高斯光束光强分布进行整形。空心光束除了具有激光频率、激光功率和光束发散角等一般参数外，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。人们已经利用光束整形，例如几何光学法、光学全息法和计算全息法等多种方法研制出了各种形式的空心光束。然而，这些方法获得的空心光束共同点是光强从光束内边缘到中心光强逐渐减弱，理论上只有光束中心上的一点光强才为零。伴随着二元光学技术的不断成熟，人们逐渐认识到了二元光学技术在实现光波变换上的突出作用，并设计和研制出了实现各种波形变换的二元光学元件，其中就包括了聚焦成圆环的二元光学元件。此外，用衍射选模反射镜作为谐振腔镜已成为一种新的提高模式分离度的方法。它既具有传统反射镜使光在谐振腔内振荡的作用，又具有模式选择的功能。这种方法是以期望得到的光束的振幅分布为目标函数，再确定谐振腔镜反射率分布，然后利用二元光学技术在反射镜上镀上相应的反射膜，即可得到一个衍射选模反射镜。由于得到的空心光束的中心强度几乎为零，并且是通过腔内变换实现的，这使得空心光束的质量得到相对提高，然而这种在反射镜上镀制按照特定分布规律的反射膜时，会使腔内激光能量有较大的损耗，并且这种方法对镀膜工艺要求也十分严格。因此这种方法在实际应用推广中会受到限制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种大暗斑反高斯空心激光光源，使得光束横截面光强从中心向外呈反高斯分布，并且光束的中心具有较大暗斑尺寸，有效提高了空心激光器的光束质量。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种大暗斑反高斯空心激光光源，包括从左至右依次设置的凹面反射镜、梯形圆锥镜、凸透镜、圆锥镜、激光增益介质、平面反射镜、平面环形输出耦合镜；所述平面反射镜的正下方设置有泵浦源和耦合光学***；

腔内激光经梯形圆锥镜外表面上的一条母线反射后，相交于一个对应的汇聚点A上，该汇聚点经对应母线所成的像与凹面反射镜的焦点F₁重合；

梯形圆锥镜外表面上不同母线所对应的汇聚点A形成一个圆，所述凸透镜的焦平面与该圆所在平面重合。

优选地，所述凹面反射镜、梯形圆锥镜、凸透镜、圆锥镜、激光增益介质、平面反射镜和平面环形输出耦合镜的中心位于同一直线上；平面反射镜、泵浦源和耦合光学***的中心位于同一直线上；所述梯形圆锥镜的锥角α＝45°，使凸透镜焦平面上所有汇聚点经其母线成像到轴上一点；

优选地，所述凹面反射镜的凹面对激光波长镀高反射膜；所述梯形圆锥镜的母线所在表面对激光波长镀高反射膜；所述凸透镜和圆锥镜对激光波长镀增透膜；所述平面环形输出耦合镜对激光波长透过率为10％；所述激光增益介质的对激光波长镀增透膜，且右侧面作为谐振腔的输入镜对激光波长镀高反射膜；所述平面反射镜对泵浦波长镀高反射膜。

本发明的有益效果是：本发明使激光束在谐振腔的激光束内外侧强度发生交换，经过输出耦合镜后其光强分布发变化，输出激光束呈反高斯函数分布，反高斯函数分布的激光束与现有激光器输出的高斯光束光强度分布相反，光束横截面光强从中心向外呈反高斯分布逐渐增强，并且光束的中心还有较大区域光强为零，有效提高了空心激光器的光束质量，并拓宽了空心光束应用领域。

附图说明

图1为高斯光束横截面上光强分布示意图；

图2为反高斯光束横截面上光强分布示意图；

图3为本发明的结构示意图；

图4为梯形圆锥镜的一条母线成像原理图；

图5为腔内光束变换原理图；

图6为本发明激光光源输出的反高斯空心激光束横截面上光强分布示意图；

图7为梯形圆锥镜沿轴线截面示意图；

图8为圆锥镜沿轴线截面示意图；

图中，1-凹面反射镜，2-梯形圆锥镜，3-凸透镜，4-圆锥镜，5-激光增益介质，6-平面反射镜，7-泵浦源，8-耦合光学***，9-平面环形输出耦合镜。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图2所示，为反高斯光束横截面上光强分布示意图，此类空心光束在垂轴截面光环的光强分布特点是：光环内边缘到光环外边缘的光强逐渐减弱，并且光束的中心具有较大暗斑尺寸；本发明采用如下方案来获得大暗斑反高斯空心激光：

如图3所示，一种大暗斑反高斯空心激光光源，包括从左至右依次设置的凹面反射镜1、梯形圆锥镜2、凸透镜3、圆锥镜4、激光增益介质5、平面反射镜6、平面环形输出耦合镜9；所述平面反射镜6的正下方设置有泵浦源7和耦合光学***8；

所述凹面反射镜1、梯形圆锥镜2、凸透镜3、圆锥镜4、激光增益介质5、平面反射镜6和平面环形输出耦合镜9的中心位于同一直线上；平面反射镜6、泵浦源7和耦合光学***8的中心位于同一直线上。激光增益介质5右侧端面(泵浦光输入端面)作为谐振腔的输入镜与平面环形输出耦合镜9构成激光谐振腔。

腔内激光束经过圆锥镜4后将变换为发散的空心光束，由圆锥镜4的折射使得高斯光束的内外强度发生交换，形成反高斯强度分布。发散反高斯空心光束通过凸透镜后汇聚到焦平面上的交点形成一个圆；

如图4所示，为梯形圆锥镜2的一条母线成像原理图，当在垂轴线上的任一点A经过梯形圆锥镜的母线成像落在轴线上一点时，由几何关系可求得梯形圆锥镜2的锥角α＝45°，求解过程如下：

设AF₂＝h，F₂为凸透镜的焦点，A为发散光束经过凸透镜在焦平面上的的一个汇聚点，A′为A点经梯形圆锥镜2母线所成的像点，作梯形圆锥镜2的母线延长线交于轴线上点B，交于AF₂与点D,连接AB作为辅助线，因为A′是A经经过梯形圆锥镜2母线所成的像，

由可得

因为所以

因为∠A’AF₂＝∠DBF₂，∠A’F₂A＝∠DF₂B＝90°，

所以故AF₂＝BF₂＝h，可得∠F₂AB＝∠F₂BA＝45°，

因为AC＝A'C，∠ACB＝∠A'CB＝90°，故可得AB＝A'B，

所以从而α＝45°。

因此，当梯形圆锥镜2的锥角为45°时，凸透镜3焦平面上的圆所成的像都汇聚为轴上一点A′。调节凹面反射镜1，使凹面反射镜1的焦点与该像点重合，使发散的空心光束会变成平行光束，凹面反射镜1、梯形圆锥镜2，凸透镜3和圆锥镜4构成望远***。

如图5所示，高斯光束经过圆锥镜后将变换为发散的空心光束，光束的偏折角ω为：

ω＝(n-1)(π-β)/2；

式中，n为圆锥镜的折射率，β为圆锥镜的顶角。

发散的空心光束由于圆锥镜4的折射使得高斯光束的内外强度发生交换，形成反高斯强度分布。由于发散反高斯空心光束通过凸透镜3后汇聚后，在凸透镜3的焦平面上的交点形成一个圆，其半径F₂A为：

F₂A＝f tanω；

式中，f为凸透镜的焦距。

当梯形圆锥镜的锥角α＝45°时，垂轴上任意物点经过圆锥镜的母线所成的像都在轴线上，因此，无论圆的半径F₂A如何变化，凸透镜3焦平面上的圆所成的像都汇聚为一点A′。当调节凹面反射镜1，使凹面反射镜1的焦点F₁与A′点重合时，发散的空心光束会变成平行光束，因此凹面反射镜1、梯形圆锥镜2，凸透镜3和圆锥镜4构成望远***。

激光增益介质5的右端面和平面环形输出耦合镜9分别为激光谐振腔的输入镜和输出镜。泵浦源7发出的泵浦光束采用端面泵浦方式通过耦合光学***8把能量注入到激光增益介质内。当腔内激光达到阈值时，腔内激光束经过圆锥镜4、凸透镜3、梯形圆锥镜2和凹面反射镜后1，将光束变换为较大暗斑尺寸的反高斯强度分布的光束由平面输出耦合镜输出到腔外，光束横截面上的光强分布如图6所示。

在本申请的实施例中，泵浦波长(即泵浦源的输出光波长)为808nm，激光波长(即整个激光器的输出光波长)为1064nm，具体地，所述泵浦源7采用输出波长为808nm光纤耦合二极管阵列的半导体激光器；耦合光学***8采用芯直径为400μm的光纤和一对凸面相对的平凸透镜组成，通过端面泵浦方式将泵浦功率注入到激光增益介质5中，具体地，泵浦源7通过光纤将泵浦光垂直入射到两个平凸透镜中，泵浦光通过平凸透镜后耦合后，经平面反射镜6将泵浦光反射注入激光增益介质5中；激光增益介质5采用Φ6mm×3mm、1.0at.％钕离子掺杂浓度的钇铝石榴石(Nd:YAG)晶体；对泵浦源和Nd:YAG进行TEC致冷，温度控制在15°±0.5°范围；激光增益介质5通光面对808nm镀增透膜，同时右侧作为谐振腔的输入镜对1064nm镀高反射膜；凹面反射镜1的凹面对1064nm镀高反射膜；如图7所示，为梯形圆锥镜2沿轴线截面示意图，梯形圆锥镜2由k9玻璃制成，两个圆形表面的半径分别为r₁＝5mm和r₂＝10mm，其锥角为α＝45°，半径较小的圆形表面向左，母线所在的表面对1064nm镀高反射膜。凸透镜3的焦距为f＝10mm，对1064nm镀增透膜；如图8所示，为圆锥镜4沿轴线截面示意图，圆锥镜4由k9玻璃制成，其锥角为β＝60°，圆锥顶点向左，且圆锥顶点到底面的距离为d₂＝10mm，对1064nm镀增透膜；平面环形输出耦合镜9对1064nm透过率约为10％；平面反射镜6对808nm镀高反射膜。

综上，本发明的腔内激光束将在凸透镜3的焦平面上汇聚为圆，当梯形圆锥镜2的锥角α＝45°时，该圆经梯形圆锥镜2母线所成的像为一点，该像点与凹面反射镜1的焦点F₁重合时，凹面反射镜1、梯形圆锥镜2，凸透镜3和圆锥镜4构成望远***，并且在谐振腔内使激光束的内外侧强度发生了交换，在经过平面环形输出耦合镜9后输出的激光束呈反高斯函数分布。反高斯函数分布的激光束与现有激光器输出的高斯光束光强度分布相反，光束横截面光强从中心向外呈反高斯分布逐渐增强，并且光束的中心还有较大区域光强为零，在光学捕获、光学信息处理、粒子囚禁、微观粒子光学操纵及材料加工等领域具有重要应用前景，此外反高斯空心激光束具有传输不变性以及自旋角动量，可作为激光导管、光学镊子和光学扳手，以及可成为精确控制微米粒子、纳米粒子和生物细胞的有力工具。

需要说明的是，以上所述是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应该看作是对其他实施例的排除，而可用于其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种大暗斑反高斯空心激光光源，其特征在于：包括从左至右依次设置的凹面反射镜(1)、梯形圆锥镜(2)、凸透镜(3)、圆锥镜(4)、激光增益介质(5)、平面反射镜(6)、平面环形输出耦合镜(9)；所述平面反射镜(6)的正下方设置有泵浦源(7)和耦合光学***(8)；腔内激光经梯形圆锥镜(2)外表面上的一条母线反射后，相交于一个对应的汇聚点A上，该汇聚点经对应母线所成的像与凹面反射镜(1)的焦点F₁重合；

梯形圆锥镜(2)外表面上不同母线所对应的汇聚点A形成一个圆，所述凸透镜(3)的焦平面与该圆所在平面重合；

所述凹面反射镜(1)、梯形圆锥镜(2)、凸透镜(3)、圆锥镜(4)、激光增益介质(5)、平面反射镜(6)和平面环形输出耦合镜(9)的中心位于同一直线上；

激光增益介质(5)右侧端面作为激光谐振腔的输入镜与平面环形输出耦合镜(9)构成激光谐振腔，平面环形输出耦合镜(9)作为激光谐振腔的输出镜；泵浦源(7)发出的泵浦光束通过耦合光学***(8)把能量注入到激光增益介质内。

2.根据权利要求1所述的一种大暗斑反高斯空心激光光源，其特征在于：所述平面反射镜(6)、泵浦源(7)和耦合光学***(8)的中心位于同一直线上。

3.根据权利要求1所述的一种大暗斑反高斯空心激光光源，其特征在于：所述梯形圆锥镜(2)的锥角α＝45°。

4.根据权利要求1所述的一种大暗斑反高斯空心激光光源，其特征在于：所述凹面反射镜(1)的凹面对激光波长镀高反射膜。

5.根据权利要求1所述的一种大暗斑反高斯空心激光光源，其特征在于：所述梯形圆锥镜(2)的母线所在表面对激光波长镀高反射膜。

6.根据权利要求1所述的一种大暗斑反高斯空心激光光源，其特征在于：所述凸透镜(3)和圆锥镜(4)对激光波长镀增透膜。

7.根据权利要求1所述的一种大暗斑反高斯空心激光光源，其特征在于：所述平面环形输出耦合镜(5)对激光波长透过率为10％。

8.根据权利要求1所述的一种大暗斑反高斯空心激光光源，其特征在于：所述激光增益介质(5)的对激光波长镀增透膜，且右侧面作为谐振腔的输入镜对激光波长镀高反射膜。

9.根据权利要求1所述的一种大暗斑反高斯空心激光光源，其特征在于：所述平面反射镜(6)对泵浦波长镀高反射膜。