CN116345286A - 一种阶数可调的多模式涡旋激光器 - Google Patents

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盛泉
耿婧旎
孟凡荣
单晨
付士杰
史伟
姚建铨
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    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
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    • H—ELECTRICITY
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Abstract

本发明公开了一种阶数可调的多模式涡旋激光器，包括：腔内透镜镀有激光波长增透膜系，第一激光输出镜和第二激光输出镜均为平面镜，二者均为一面镀有对激光波长部分透过的膜系，另一面镀有对激光波长增透的膜系；高阶拉盖尔‑高斯光束经所述腔内透镜聚焦，各阶拉盖尔‑高斯模式涡旋光在所述腔内透镜的球差作用下，聚焦后的光束束腰位置会发生分离，模式阶数越高、光斑尺寸越大的模式聚焦后的光束束腰越接近腔内透镜；调节第一激光输出镜和第二激光输出镜的位置，使之分别位于某一模式的束腰位置，位于不同位置的第一激光输出镜和第二激光输出镜分别为两个不同阶数的拉盖尔‑高斯模式涡旋光提供反馈，使之形成多模式涡旋激光振荡并输出。

Description

一种阶数可调的多模式涡旋激光器
技术领域
本发明涉及激光器领域，尤其涉及一种阶数可调的多模式涡旋激光器。
背景技术
涡旋光束具有螺旋形的波前，围绕中心一周其波前相位改变2π的整数l倍，光束中每个光子携带
Figure BDA0004141976150000011
的轨道角动量。对于拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian)光束这种最为典型的涡旋光束而言，l就是其角向指数；由于涡旋光束中心存在相位奇点，其光强呈中空环状分布，相关特性使得涡旋光束在光镊、量子通信、微纳制造等方面具有重要应用。产生涡旋光束的方法包括无源和有源两大类，无源方法对既有的高斯光束或厄米高斯光束进行腔外调制和变换得到涡旋光，有源方法通过泵浦光整形和调整器/缺陷点尺寸和图样的设计加工来控制谐振腔内激光模式增益和损耗，从而实现模式选择、产生涡旋光振荡输出[1]。
在量子纠缠、空间光通信等应用中，经常需要使用同时包含多个模式的涡旋光源来进行复用以提高***性能。然而，多模光束的模式纯度和功率比例往往难以控制，且模式竞争也会导致光强的起伏，因此可控的多阶涡旋光束产生方法非常重要。目前公开报道的多模式涡旋光束产生方法中，仅有文献[2]中提出通过在激光谐振腔反射镜上刻蚀多个不同尺寸的同心圆环，来控制具有不同尺寸的各阶模式的损耗，从而实现多模式的涡旋光输出。然而，在腔镜上刻蚀复杂结构的图案对于加工工艺要求很高，器件制备难度很大；另一方面，在器件制备之后，其对应的模式阶数也就相应确定下来，很难实现对模式阶数灵活的独立调节；再者，缺陷点很容易被腔内的高强度激光进一步破坏，使激光模式发生变化，甚至不能继续工作。因此，现有技术很难实现阶数可调的多模式涡旋光输出。
参考文献
[1]A.Forbes,“Structured light from lasers,”Laser Photonics Rev.13(11),1900140(2019).
[2]腔内直接产生多涡旋光束的方法，中国发明专利，授权号CN 109031674 B
发明内容
本发明提供了一种阶数可调的多模式涡旋激光器，本发明利用多片位于不同位置的激光输出镜分别对不同阶数的拉盖尔-高斯模式涡旋激光提供反馈，实现阶数可调的多模式涡旋激光振荡输出，详见下文描述：
一种阶数可调的多模式涡旋激光器，所述激光器包括：
激光全反镜镀有泵浦光波长增透、激光波长高反的膜系；激光增益介质镀有泵浦光和激光波长增透膜系；腔内透镜镀有激光波长增透膜系，第一激光输出镜和第二激光输出镜均为平面镜，二者均为一面镀有对激光波长部分透过的膜系，另一面镀有对激光波长增透的膜系；
高阶拉盖尔-高斯光束经所述腔内透镜聚焦，各阶拉盖尔-高斯模式涡旋光在所述腔内透镜的球差作用下，聚焦后的光束束腰位置会发生分离，模式阶数越高、光斑尺寸越大的模式聚焦后的光束束腰越接近腔内透镜；
调节第一激光输出镜和第二激光输出镜的位置，使之分别位于某一模式的束腰位置，位于不同位置的第一激光输出镜和第二激光输出镜分别为两个不同阶数的拉盖尔-高斯模式涡旋光提供反馈，使之形成多模式涡旋激光振荡并输出。
其中，所述第一激光输出镜的布置方向为：镀有激光波长增透膜系的一面朝向增益介质和腔内透镜组成的激光谐振腔内。所述第二激光输出镜的布置方向为：镀有激光波长部分膜系的一面朝向激光谐振腔内。
优选地，当产生的涡旋光阶数较高时，所述激光增益介质和腔内透镜的通光孔径大于振荡高阶涡旋光光斑的尺寸
Figure BDA0004141976150000021
其中w是由谐振腔ABCD矩阵决定的基模光斑尺寸，p和m分别为高阶涡旋光的径向和角向指数。
优选地，激光全反镜的曲率半径≤100mm，或在其附近加入短焦距透镜，焦距≤100mm。
所述激光增益介质为：Nd:YVO4、Nd:YAG、Ti:Sa，或掺Nd、掺Yb、掺Er的激光玻璃、激光陶瓷。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1)本发明利用两片位于不同位置的激光输出镜分别对不同模式的涡旋光提供反馈，从而产生阶数可以便捷调节的多模式涡旋激光输出，无需特殊器件的制备和使用，方法简单方便，成本经济；
2)本发明利用单一泵浦光和激光晶体产生多模式涡旋激光，结构简单，不同模式的涡旋激光的光斑尺寸不同，因此增益区域不同，不存在增益竞争、更为稳定，对泵浦光利用率高。
附图说明
图1为本发明提供的一种阶数可调的多模式涡旋激光器的光路示意图；
图2为本发明提供的一种阶数可调的多模式涡旋激光器实施例中球差作用下光束焦点位置随光斑尺寸的变化关系示意图；
图3为本发明提供的一种阶数可调的多模式涡旋激光器实施例中涡旋光模式阶数与激光输出镜位置之间的关系示意图。
附图1中，各标号所代表的部件列表如下：
1：泵浦源； 2：激光全反镜；
3：激光增益介质； 4：腔内透镜；
5：第一激光输出镜； 6：第二激光输出镜。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
一种阶数可调的多模式涡旋激光器，参见图1，该激光器包括：泵浦源1、激光全反镜2、激光增益介质3、腔内透镜4、第一激光输出镜5、第二激光输出镜6。
其中，激光全反镜2镀有泵浦光波长增透、激光波长高反的膜系；激光增益介质3镀有泵浦光和激光波长增透膜系；腔内透镜4镀有激光波长增透膜系，第一激光输出镜5和第二激光输出镜6均为一面镀有对激光波长部分透过的膜系，另一面镀有对激光波长增透的膜系。
激光全反镜2与腔内透镜4的间距较大，因此激光光束传输至腔内透镜4时光斑尺寸较大；第一激光输出镜5和第二激光输出镜6均为平面镜；腔内透镜4为带有球差的普通球面透镜。
其中，高阶拉盖尔-高斯光束经过腔内透镜4聚焦后的光束束腰位置由下式给出：
Figure BDA0004141976150000031
其中，l’为聚焦后的光束束腰与腔内透镜4的距离，l为聚焦之前的光束束腰与腔内透镜4的距离，f为腔内透镜4的焦距，W为光斑尺寸，λ为激光波长，p和m分别为拉盖尔-高斯光束的径向指数和角向指数。
由于各阶拉盖尔-高斯模式涡旋光具有不同的光束尺寸，在腔内透镜4的球差的作用下，它们聚焦后的光束束腰位置会发生分离，模式阶数越高、光斑尺寸越大的模式聚焦后的光束束腰越接近腔内透镜4。考虑第一激光输出镜5和第二激光输出镜6均为平面镜，根据激光谐振腔模式自再现的要求，只有经腔内透镜4聚焦之后的光束束腰位于平面镜上的模式才能在腔内振荡，因此位于不同位置的第一激光输出镜5和第二激光输出镜6能够分别为两个不同阶数的拉盖尔-高斯模式涡旋光提供反馈，使之形成多模式涡旋激光振荡并输出，而且其他模式则受到较大的损耗，不能起振。只要调节第一激光输出镜5和第二激光输出镜6的位置，使之分别位于某一模式的束腰位置，就能够实现对多模式涡旋激光阶数的分别调谐。
其中，考虑光学镜片具有一定厚度，第一激光输出镜5优选的布置方向应为镀有激光波长增透膜系的一面朝向激光谐振腔内(即朝向增益介质3和腔内透镜4)，镀有激光波长部分反射膜系的一面朝向激光谐振腔外(即朝向第二激光输出镜6)；第二激光输出镜6优选的布置方向应为镀有激光波长部分反射膜系的一面朝向激光谐振腔内(朝向第一激光输出镜5)。这样用于分别对不同模式涡旋光提供反馈的部分反射膜之间的间距才能够在较大的动态范围内调节，从而调控多模式涡旋光的阶数，而不会受镜片厚度的限制。
优选地，当产生的涡旋光阶数较高时，激光增益介质3和腔内透镜4的通光孔径应大于振荡高阶涡旋光光斑的尺寸。
优选地，激光全反镜2应具有较小的曲率半径(或在其附近加入短焦距透镜)，从而压缩其附近的激光束腰尺寸，使得腔内透镜4处有较大的光斑尺寸，以增强球差，实现更好的模式选择效果。
综上所述，本发明实施例通过多片位于不同位置的激光输出镜分别对不同阶数的拉盖尔-高斯模式涡旋激光提供反馈，实现阶数可调的多模式涡旋激光振荡输出，满足了实际应用中的多种需要。
实施例2
本发明实施例提供了一种阶数可调的多模式涡旋激光器，该激光器包括：泵浦源1、激光全反镜2、激光增益介质3、腔内透镜4、第一激光输出镜5、第二激光输出镜6。
其中，泵浦源1为808nm半导体激光器；激光全反镜2为平凹镜，凹面曲率半径50mm，朝向腔内，两面镀808nm泵浦光增透膜、凹面镀1064nm激光高反膜系；激光增益介质3为a切割Nd:YVO4晶体，4×4×10mm3，掺杂浓度0.3at.％，镀有808nm泵浦光、1064nm激光增透膜系；腔内透镜4为K9材质的球面双凸透镜，焦距51.8mm，均镀有1064nm激光增透膜系；第一激光输出镜5和第二激光输出镜6均为平镜，分别镀1064nm激光透过率T＝5％和T＝10％的膜系。
激光全反镜2靠近激光增益介质3放置；腔内透镜4与激光增益介质3的距离为～150mm；第一激光输出镜5镀有部分反射膜的一面、与腔内透镜4之间的距离为～50mm，位置可微调；第二激光输出镜6靠近第一激光输出镜5放置，位置可微调。
在此情况下，通过计算腔内透镜4的球差，并根据上述(1)式可以得到经腔内透镜4聚焦后的实际焦点位置，如图2所示。根据腔模理论计算得到腔内透镜4处的基模光斑尺寸为～800μm，根据拉盖尔-高斯模式涡旋光的光场分布可以确定各阶LG0,m模式涡旋光的光斑尺寸，进而根据透镜的球差量确定激光输出镜相对腔内透镜的位置和对应振荡模式的关系，如图3所示。只要微调第一激光输出镜5和第二激光输出镜6的位置，就能够得到相应的多模式涡旋激光输出。
上述实施例中，激光增益介质可以是Nd:YVO4、Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石)、Ti:Sa(掺钛蓝宝石)等激光晶体，也可以是掺Nd、掺Yb(镱)、掺Er(铒)或其他发光离子的激光玻璃、激光陶瓷等常用激光增益介质，相应的泵浦源波长和镀膜波长与激光增益介质的吸收峰和发射峰对应即可，本发明实施例对此不做限制。
本发明实施例对腔内透镜4的焦距不做具体限制，只要选择合适的焦距，使光束聚焦后产生明显的球差即可。
综上所述，本发明实施例的目的在于利用球差使不同模式的拉盖尔-高斯模式涡旋光的光路在空间上发生分离，使用两片位于不同位置的激光输出镜分别对不同阶数的涡旋光提供反馈，实现多模式涡旋激光振荡输出；通过微调激光输出镜的位置，实现对涡旋光阶数的便捷调节。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种阶数可调的多模式涡旋激光器，其特征在于，所述激光器包括：
激光全反镜镀有泵浦光波长增透、激光波长高反的膜系；激光增益介质镀有泵浦光和激光波长增透膜系；腔内透镜镀有激光波长增透膜系，第一激光输出镜和第二激光输出镜均为平面镜，二者均为一面镀有对激光波长部分透过的膜系，另一面镀有对激光波长增透的膜系；
高阶拉盖尔-高斯光束经所述腔内透镜聚焦，各阶拉盖尔-高斯模式涡旋光在所述腔内透镜的球差作用下，聚焦后的光束束腰位置会发生分离，模式阶数越高、光斑尺寸越大的模式聚焦后的光束束腰越接近腔内透镜；
调节第一激光输出镜和第二激光输出镜的位置，使之分别位于某一模式的束腰位置，位于不同位置的第一激光输出镜和第二激光输出镜分别为两个不同阶数的拉盖尔-高斯模式涡旋光提供反馈，使之形成多模式涡旋激光振荡并输出。
2.根据权利要求1所述的一种阶数可调的多模式涡旋激光器，其特征在于，所述第一激光输出镜的布置方向为：镀有激光波长增透膜系的一面朝向增益介质和腔内透镜组成的激光谐振腔内。
3.根据权利要求2所述的一种阶数可调的多模式涡旋激光器，其特征在于，所述第二激光输出镜的布置方向为：镀有激光波长部分反射膜系的一面朝向激光谐振腔内。
4.根据权利要求2所述的一种阶数可调的多模式涡旋激光器，其特征在于，当产生的涡旋光阶数较高时，所述激光增益介质和腔内透镜的通光孔径大于振荡高阶涡旋光光斑的尺寸
Figure FDA0004141976140000011
其中w是由谐振腔ABCD矩阵决定的基模光斑尺寸，p和m分别为高阶涡旋光的径向和角向指数。
5.根据权利要求2所述的一种阶数可调的多模式涡旋激光器，其特征在于，激光全反镜的曲率半径≤100mm或在其附近加入短焦距透镜，焦距≤100mm。
6.根据权利要求1所述的一种阶数可调的多模式涡旋激光器，其特征在于，所述激光增益介质为：Nd:YVO4、Nd:YAG、Ti:Sa，或掺Nd、掺Yb、掺Er的激光玻璃、激光陶瓷。
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