CN116417883A - 基于螺旋相位板的腔内直接产生涡旋激光的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于螺旋相位板的腔内直接产生涡旋激光的装置及方法，属于激光领域。包括顺序设置的泵浦源、泵浦光耦合镜和激光谐振腔，其中泵浦光耦合镜包括先后设置的第一凸透镜和第二凸透镜，激光谐振腔包括顺序设置的输入耦合镜、增益介质、第三凸透镜和输出耦合镜构成；其中输出耦合镜直接采用了螺旋相位板，螺旋相位板光学厚度与方位角的旋转成比例，表面呈现出螺旋阶梯的结构，通过调节激光器使其能够输出高纯度LG模的涡旋激光。其结构更为简单直接，且具有更高的输出功率和更好的模式纯度。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于螺旋相位板的腔内直接产生涡旋激光的装置及方法，属于激光技术领域。
背景技术
涡旋光是一种中心存在相位奇点，光场分布为中空环形的光束。其相位或波前呈螺旋形，柱坐标表达式中含有螺旋相位相exp(ilφ)，l为拓扑核数。目前产生涡旋光的方法主要有三种：外部相位调制元件波前转换技术、非线性频率转换技术和腔内直接振荡产生技术。螺旋相位板是一种相位调制元件，常被用于外部调制或腔内直接振荡以产生涡旋光。外部调制是指在已产生的激光的谐振腔后方，即在输出耦合镜之后再***螺旋相位板以产生涡旋激光；腔内直接振荡是指将螺旋相位板***谐振腔内，通常位于激光晶体和输出耦合镜之间，起到腔内调制的作用。目前来说，本领域技术人员认为，螺旋相位板一般对激光高透，直接作输出耦合镜会导致腔内损耗过大，不易直接产生激光。现有的利用螺旋相位板产生涡旋光的装置都较为复杂、功率较低且纯度不高。
发明内容
针对现有技术的不足之处，提供一种基于螺旋相位板的腔内直接产生涡旋激光的装置及方法，通过将螺旋相位板直接作为输出耦合镜，直接产生高纯度高功率涡旋激光，而无需经过其他光学调制元件以产生涡旋激光，其结构简单，效果好。
为实现上述技术目的，一种基于螺旋相位板的腔内直接产生涡旋激光的激光器，包括顺序设置的泵浦源、泵浦光耦合镜和激光谐振腔，其中泵浦光耦合镜包括先后设置的第一凸透镜和第二凸透镜，激光谐振腔包括顺序设置的输入耦合镜、增益介质、第三凸透镜和输出耦合镜构成；其中输出耦合镜直接采用了螺旋相位板，螺旋相位板光学厚度与方位角的旋转成比例，表面呈现出螺旋阶梯的结构，通过调节激光器使其能够输出高纯度LG模的涡旋激光。
进一步，所述增益介质，为单晶光纤，是一种激光晶体。
进一步，泵浦源采用940nm半导体激光器，所述泵浦源产生的激光通过耦合光纤与泵浦光耦合镜连接，耦合光纤的直径为105μm，数值孔径为0.22。
进一步，第一凸透镜焦距为25.4mm，第二凸透镜焦距为75mm，所述第一凸透镜对泵浦光进行准直，第二凸透镜对泵浦源发送的泵浦光进行聚焦并将管线直接发送到激光谐振腔。
进一步，输入耦合镜为平面镜，该谐振腔输入镜表面上镀有对940nm波长透过率>90％，且对1030nm波长反射率>99.9％的第一介质膜；增益介质为掺镱钇铝石榴石晶体Yb:YAG单晶光纤，该单晶光纤直径为1mm，长度40mm，Yb掺杂浓度为1％，单晶光纤前后表面镀有对940nm波长和1030nm波长透过率>99％的第二介质膜；第三凸透镜33，焦距为175mm。
进一步，螺旋相位板构成的输出耦合镜分别采用LG01模和LG08模，根据需要的涡旋激光模式，直接更换对应模式的输出耦合镜即可，布置时与其他透镜同一轴线放置，且位于第三凸透镜之后。
一种基于螺旋相位板的腔内直接产生涡旋激光的方法，其步骤如下：
调节第一凸透镜，对泵浦源发送过来的泵浦光进行准直，调节第二凸透镜和增益介质的位置，使泵浦光聚焦到增益介质内部，增加泵浦源的输出功率，同时调节腔镜，使其产生涡旋激光，在输出耦合镜的后面相对放置CCD相机，以监测输出耦合镜输出涡旋激光的光斑图样，调节输出耦合镜的位置，直至CCD相机中显示出强度均匀且完整的环形光斑图样，表明此时激光器输出了拉盖尔-高斯(Laguerre Gaussian,LG)模式的涡旋光束。
进一步，在激光输出方向放置马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder干涉仪)对涡旋光束进行干涉图样检测，根据监测到的干涉图样结合涡旋激光拓扑核数特性，可以直接得出拓扑核数大小。
有益效果：本发明的增益介质采用单晶光纤，与传统光纤的和体块状晶体相比，单晶光纤既具备了普通光纤的优势即高表面体积比及光波导转换效率优势，又综合了体块状晶体优良的物理化学特性即高热导率、高激光损伤阈值、较小的非线性效应等优点，这使得单晶光纤有望产生更高功率的输出及更高能量激光的传输。本发明直接采用单晶光纤作增益介质，螺旋相位板做输出镜，以获得高纯度高功率涡旋激光。
本装置直接使用螺旋相位板做输出镜，根据螺旋相位板阶数的不同，直接产生不同拉盖尔-高斯模式的高纯度高能量涡旋激光。在150W的泵浦功率下，能够获得63W的高功率LG01模激光输出。另外，与使用螺旋相位板外部调制和腔内直接***以产生涡旋激光的方法相比，本装置结构更为简单直接，且具有更高的输出功率和更好的模式纯度。
附图说明
图1为本发明实施例基于螺旋相位板的腔内直接产生涡旋激光的装置的结构示意图。
图2为本发明实施例的输出耦合镜，即螺旋相位板的显微结构图，其中左侧的为LG01模，右侧为LG08模。
图3为本发明实施例所获得的激光光斑及其干涉图样，分别为LG01模的光斑及其干涉图样和LG08模的光斑及其干涉图样。
图4为本发明实施例所获得分别使用LG01和LG08模的螺旋相位板的输出功率与吸收泵浦功率的曲线图。
图中：1-泵浦源，2-泵浦光耦合镜，3-激光谐振腔，21第一凸透镜,22-第二凸透镜，31-输入耦合镜，32-增益介质，33-第三凸透镜，34-输出耦合镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明：
如图1所示，一种基于螺旋相位板的腔内直接产生涡旋激光的装置，该装置包括以下内容：
1)搭建激光器结构，包括泵浦源1、泵浦光耦合镜2和激光谐振腔3，所述泵浦光耦合镜2由第一凸透镜21和第二凸透镜22构成，所述激光谐振腔3由输入耦合镜31、增益介质32、第三凸透镜33和输出耦合镜34构成。
所述泵浦源1，用于提供泵浦激光；
所述泵浦光耦合镜2，用于将泵浦源1产生的激光聚焦到输入耦合镜31上；
所述谐振腔输入镜31，用于接收来自泵浦光耦合镜2的聚焦后的泵浦光束并输出到增益介质32上；
所述增益介质32，为单晶光纤，是一种激光晶体；
所述第三凸透镜33，用于将谐振腔拉长并将激光进行扩束；
所述输出耦合镜34，用于产生高纯度LG模的涡旋激光输出。
其中，所述泵浦源1采用940nm半导体激光器。其中所述泵浦源产生的激光通过耦合光纤输出，所述耦合光纤的直径为105μm，数值孔径为0.22。
其中，所述泵浦光耦合镜2由第一凸透镜21和第二凸透镜22构成。其中第一凸透镜21焦距为25.4mm和第二凸透镜22焦距为75mm，所述第一凸透镜21对泵浦光进行准直，第二凸透镜22对泵浦光进行聚焦。
其中，所述输入耦合镜31为平面镜，该谐振腔输入镜表面上镀有对940nm波长透过率>90％，且对1030nm波长反射率>99.9％的第一介质膜。
其中，所述增益介质32为掺镱钇铝石榴石晶体Yb:YAG单晶光纤，该单晶光纤直径为1mm，长度40mm，Yb掺杂浓度为1％，单晶光纤前后表面镀有对940nm波长和1030nm波长透过率>99％的第二介质膜。
其中，所述第三凸透镜33，焦距为175mm。
其中，所述输出镜34为螺旋相位板，其光学厚度与方位角的旋转成比例，表面呈现出螺旋阶梯的结构。
其中，所述的螺旋相位板分别采用LG01模和LG08模，如图2所示。
其中，所述激光谐振腔长度为255mm。
2)调节第一凸透镜21，对泵浦光进行准直，使泵浦光到第二凸透镜22的位置前时泵浦光光斑大小变化较小，调节第二凸透镜22和增益介质32的位置，使泵浦光聚焦到增益介质32内部，调节激光器使其输出激光功率较大，在输出耦合镜34的后面摆放CCD相机，监测输出激光光斑图样，调节输出耦合镜34的位置，使其中心对准输出激光光束的中心，直至所述CCD相机中显示出环形光斑图样，则激光器输出了拉盖尔-高斯模式的涡旋光束，所产生的涡旋光束光斑图样如图3。
3)在激光输出方向放置马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder干涉仪)对激光光束进行干涉图样检测，所得到的干涉图样如图3，由清晰的干涉图样可知由该装置分别产生了不同模式的涡旋激光且所产生的涡旋激光纯度非常高。
4)图4为采用不同输出耦合镜所对应产生不同模式涡旋激光的输出功率与吸收泵浦功率的曲线图，如图所示，在130W吸收泵浦功率下产生了功率高达63W的LG01模激光，激光斜效率为65％；相同的吸收泵浦功率下，产生了22W的LG08模激光输出，对应斜效率为28％，且随着吸收泵浦功率的增加未见明显的饱和。
综上所述，该腔内直接产生涡旋激光的装置直接以螺旋相位板为输出耦合镜，根据螺旋相位板阶数的不同，直接产生不同拉盖尔-高斯模式的高纯度高功率涡旋激光。在150W的泵浦功率下，能够获得63W的高功率LG01模激光输出。与其他产生涡旋激光的方法不同，本发明的实验装置更加简单，产生的涡旋激光纯度更好，功率更高。
Claims (8)
1.一种基于螺旋相位板的腔内直接产生涡旋激光的激光器，其特点在于：包括顺序设置的泵浦源(1)、泵浦光耦合镜(2)和激光谐振腔(3)，其中泵浦光耦合镜(2)包括先后设置的第一凸透镜(21)和第二凸透镜(22)，激光谐振腔(3)包括顺序设置的输入耦合镜(31)、增益介质(32)、第三凸透镜(33)和输出耦合镜(34)构成；其中输出耦合镜(34)直接采用了螺旋相位板，螺旋相位板光学厚度与方位角的旋转成比例，表面呈现出螺旋阶梯的结构，通过调节激光器使其能够输出高纯度LG模的涡旋激光。
2.根据权利要求1所述基于螺旋相位板的腔内直接产生涡旋激光的激光器，其特点在于：所述增益介质(32)，为单晶光纤，是一种激光晶体。
3.根据权利要求1所述基于螺旋相位板的腔内直接产生涡旋激光的激光器，其特点在于：泵浦源(1)采用940nm半导体激光器，所述泵浦源(1)产生的激光通过耦合光纤与泵浦光耦合镜(2)连接，耦合光纤的直径为105μm，数值孔径为0.22。
4.根据权利要求1所述基于螺旋相位板的腔内直接产生涡旋激光的激光器，其特点在于：第一凸透镜(21)焦距为25.4mm，第二凸透镜(22)焦距为75mm，所述第一凸透镜(21)对泵浦光进行准直，第二凸透镜(22)对泵浦源(1)发送的泵浦光进行聚焦并将管线直接发送到激光谐振腔(3)。
5.根据权利要求1所述基于螺旋相位板的腔内直接产生涡旋激光的激光器，其特点在于：输入耦合镜(31)为平面镜，该谐振腔输入镜表面上镀有对940nm波长透过率>90％，且对1030nm波长反射率>99.9％的第一介质膜；增益介质(32)为掺镱钇铝石榴石晶体Yb:YAG单晶光纤，该单晶光纤直径为1mm，长度40mm，Yb掺杂浓度为1％，单晶光纤前后表面镀有对940nm波长和1030nm波长透过率>99％的第二介质膜；第三凸透镜33，焦距为175mm。
6.根据权利要求1所述基于螺旋相位板的腔内直接产生涡旋激光的激光器，其特点在于：螺旋相位板构成的输出耦合镜(34)分别采用LG01模和LG08模，根据需要的涡旋激光模式，直接更换对应模式的输出耦合镜即可(34)，布置时与其他透镜同一轴线放置，且位于第三凸透镜(33)之后。
7.一种基于螺旋相位板的腔内直接产生涡旋激光的方法，其特征在于步骤如下：
调节第一凸透镜(21)，对泵浦源(1)发送过来的泵浦光进行准直，调节第二凸透镜(22)和增益介质(32)的位置，使泵浦光聚焦到增益介质(32)内部，增加泵浦源(1)的输出功率，同时调节腔镜，使其产生涡旋激光，在输出耦合镜(34)的后面相对放置CCD相机，以监测输出耦合镜(34)输出涡旋激光的光斑图样，调节输出耦合镜(34)的位置，直至CCD相机中显示出强度均匀且完整的环形光斑图样，表明此时激光器输出了拉盖尔-高斯LG模式的涡旋光束。
8.根据权利要求7所述基于螺旋相位板的腔内直接产生涡旋激光的方法，其特征在于：在激光输出方向放置马赫-曾德尔干涉仪对涡旋光束进行干涉图样检测，根据监测到的干涉图样结合涡旋激光拓扑核数特性，直接得出拓扑核数大小。
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