CN100358193C - 具有轨道角动量的环形激光束发生器 - Google Patents

Abstract

一种产生具有轨道角动量的环形激光束的发生器。该发生器由半导体激光器、耦合透镜、激光晶体、输出耦合镜、模式匹配透镜、三个柱面镜组成。本发明首先采用半导体激光器泵浦固体激光器产生厄密-高斯光束，然后使其通过三个柱面镜组成的光学系统。其中，第一柱面镜和第三柱面镜的焦距相等、对称轴互相平行，第二柱面镜的焦距是第一柱面镜焦距的两倍、对称轴与第一柱面镜的对称轴垂直。当第一柱面镜的焦距与厄密-高斯光束的瑞利长度相匹配、对称轴与厄密-高斯光束的对称轴为π/4的角度时，可产生具有轨道角动量的环形激光束。本发明优点是采用常规光学元件产生环形光束。本发明在激光生物学、物理学等方面有重要应用前景。

Description

具有轨道角动量的环形激光束发生器

技术领域

本发明属激光技术领域。

背景技术

光束的角动量有两种：由于光束的偏振特性产生的角动量和由于光束的螺旋形相位结构(扭转位相)而产生的角动量。由光束的偏振特性引起的光束角动量早已被人们所认识，例如使圆偏振光通过一个用石英光纤悬挂的半波带板，可观察到由于光束的圆偏振特性引起的角动量，并通过精确测量光纤的扭矩可测量由偏振引起的角动量。而光束的轨道角动量只是近年来才被人们所认识，研究表明当光束含有角向相关的位相分布时(也称扭转位相或螺旋位相)，此类光束具有与角向位相分布有关的角动量(被称为轨道角动量)。如果含有扭转位相的光束的光场函数为

u(r，φ)＝f(r)·exp[ig(φ)]    (1)

则该光束的轨道角动量为

$J=-\frac{2}{\mathrm{\ω}}P\frac{\∂g\left(\mathrm{\φ}\right)}{\∂\mathrm{\φ}}---\left(2\right)$

其中r为位置矢量，g(φ)表示光束的扭转位相，ω是光场的角频率，P为光束的总能量。

具有轨道角动量的环形激光束在激光生物学、基因工程以及材料科学等方面有应用前景。例如，将具有轨道角动量的激光束与光镊结合起来，可以实现对微粒的无接触捕获、平移和旋转，在对细胞的操作过程中，避免对细胞表面和内部细胞器的损伤，因此在人工受精和转基因过程中，可缩短所需时间，提高细胞成活率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够产生具有轨道角动量的环形激光束的方法和装置，为生物技术、材料科学等应用领域提供一种新的实验方法和手段。

本发明提供的产生具有轨道角动量的环形激光束的方法，共分两个步骤：

(1)用激光模式发生器产生厄密-高斯光束；

(2)利用扭转柱面镜光学系统将厄密-高斯光束变换为具有轨道角动量的环形激光束。

实现本发明的装置由半导体激光器、耦合透镜、激光晶体、输出耦合镜、模式匹配透镜、三个扭转的柱面镜等组成。

厄密-高斯光束的产生

在本发明装置中，首先需产生阶次可调的厄密-高斯光束，它由半导体激光泵浦的固体激光器实现。具体包括：半导体激光泵浦源、耦合光学系统、激光晶体、光学谐振腔等。各组成部分的技术特征如下：

(1)半导体激光泵浦源采用单管半导体激光器或半导体激光器阵列，通过耦合光学系统将泵浦光聚焦到激光晶体。当激光晶体是Nd:YAG晶体时，泵浦源选取波长为808nm的半导体激光器；也可采用光纤输出的半导体激光器做泵浦源。激光晶体两个端面镀合适的光学介质膜。当使用的激光晶体是Nd:YAG时，晶体前端面镀808nm的增透膜和1064nm的全反膜，晶体后端面镀1064nm的增透膜。

(2)光学谐振腔由直接镀在激光晶体前端面的全反镜和输出耦合镜组成。输出耦合镜的曲率半径的选取应使激光器工作在稳定区。当输出镜为曲率半径为100mm的凹透镜时，谐振腔腔长应小于凹透镜的曲率半径。凹透镜镀对振荡激光具有一定透过率的介质膜，其透过率的大小由激光器的泵浦水平决定，例如对于瓦级半导体激光泵浦的Nd:YAG激光器，输出镜对1064nm的透过率一般取3％。

环形光束的产生

产生环形光束所使用的柱面镜系统由第一柱面镜(9)，第二柱面镜(10)，第三柱面镜(11)组成，如图2所示，其中第一柱面镜(9)和第三柱面镜(11)的焦距相等，对称轴互相平行，第二柱面镜(10)的焦距是第一柱面镜(9)，第三柱面镜(11)的焦距的两倍，第二柱面镜(10)的对称轴与第一柱面镜(9)的对称轴垂直。当第一柱面镜(9)的对称轴与厄密-高斯光束的对称轴为π/4的角度，且焦距f的大小与经模式匹配透镜变换后出射的厄密-高斯光束的瑞利长度相匹配时，产生具有轨道角动量的环形激光束。当入射厄密-高斯光束通过满足上述关系的柱透镜光学变换系统后，变换为具有轨道角动量的扭转对称环形光束。

本发明的主要特点为：

(1)所产生环形光束的直径和轨道角动量的大小可变；

(2)所使用的光学元器件均为常规光学元件，当透镜表面镀对入射光的增透膜后，能量转换效率高。

附图说明

图1是本发明的系统原理图。

图2是本发明中的柱面镜光束系统示意图。

图3是本发明装置中所产生的厄密-高斯光束(TEM_6，0)的光斑图。

图4是用本发明中所产生的具有轨道角动量的环形激光束的光斑图。

图5是具有轨道角动量的环形激光束发生器的整体结构示意图。如图5所示，本发明装置由两部分组成，包括产厄密-高斯光束的半导体激光泵浦固体激光器和由柱透镜组成的光束变换系统。各部件名称如下：温控系统(1)；半导体激光泵浦源(2)；光纤或耦合透镜(3)；激光晶体(4)；介质膜(5)；移动机构(6)；输出耦合镜(7)；模式匹配透镜(8)；第一柱面镜(9)，第二柱面镜(10)，第三柱面镜(11)，半导体激光器电源(12)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

如图5所示，本发明装置由激光模式发生器和柱透镜光束变换系统两大部分组成。激光模式发生器的作用是产生厄密-高斯光束，其泵浦源是半导体激光器(2)，(13)为半导体激光器电源，半导体激光器的波长由温控系统(1)控制。半导体激光被耦合进光纤(3)用于泵浦固体激光晶体(4)。为了获得厄密-高斯光束，光纤(3)需由一个移动机构(6)在垂直于光轴的平面内沿着水平方向移动。激光晶体(4)和输出耦合镜(7)构成固体激光器的光学谐振腔，其中激光晶体的前端面激光晶体的前端面镀对泵浦光高透和对振荡激光高反的介质膜(5)。

当半导体激光器的泵浦功率高于固体激光器的阈值泵浦功率时，激光器开始振荡并输出激光。输出的光束经过模式匹配透镜(8)后被引入由第一柱面镜(9)、第二柱面镜(10)和第三柱面镜(11)构成的光束变换系统。第一柱面镜(9)和第三柱面镜(11)的焦距相同，第二柱面镜(10)的焦距是第一柱面镜(9)的焦距的两倍，第一柱面镜(9)与第二柱面镜(10)、第二柱面镜(10)和第三柱面镜(11)的间距等于第一柱面镜(9)的焦距。

本发明可输出具有轨道角动量的环形激光束，光斑图形如图4所示，当在垂直于光轴的平面内改变泵浦光聚焦在晶体上的位置时，可改变环形光束的直径和轨道角动量的大小。

Claims (2)

1、一种产生具有轨道角动量的扭转对称环形光束的发生器，该发生器由半导体激光器(2)、耦合透镜(3)、激光晶体(4)、输出耦合镜(7)、模式匹配透镜(8)、第一柱面镜(9)、第二柱面镜(10)和第三柱面镜(11)组成，其特征为：激光晶体(4)和输出耦合镜(7)构成激光谐振腔，当采用半导体激光器(2)输出的泵浦光经过耦合透镜(3)端面泵浦激光晶体(4)，且在与激光晶体(4)光轴垂直的平面内改变半导体激光器(2)输出的泵浦光在激光晶体(4)端面上的泵浦位置时，可以产生厄密-高斯光束并从输出耦合镜(7)处输出，然后使产生的厄密-高斯光束经过模式匹配透镜(8)后，再通过第一柱面镜(9)、第二柱面镜(10)、第三柱面镜(11)组成的光学系统；主要的参数为第一柱面镜(9)和第三柱面镜(11)的焦距相等，对称轴互相平行，第二柱面镜(10)的焦距是第一柱面镜(9)、第三柱面镜(11)的焦距的两倍，第二柱面镜(10)的对称轴与第一柱面镜(9)的对称轴垂直；当第一柱面镜(9)的焦距与经模式匹配透镜(8)变换后出射的厄密-高斯光束的瑞利长度相匹配，且第一柱面镜(9)的对称轴与厄密-高斯光束的对称轴为π/4的角度时，产生具有轨道角动量的环形激光束；通过调节半导体激光器泵浦光在激光晶体上的泵浦位置改变环形光束的直径和轨道角动量的大小。

2、一种用于产生厄密-高斯光束的实验装置，其特征为：半导体激光器输出的泵浦光束通过透镜耦合系统或光纤耦合，聚焦到固体激光器上，当在与激光晶体光轴垂直的平面内改变半导体激光在激光晶体上的泵浦位置时，获得厄密-高斯光束，厄密-高斯光束的模阶次由泵浦光在固体激光器上的泵浦位置决定。

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