CN104020626A - 涡旋光束布里渊放大方法及实现该方法的系统 - Google Patents

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Abstract

涡旋光束布里渊放大方法及实现该方法的系统，涉及涡旋激光放大技术。它为了解决现有涡旋激光产生效率低、放大器转换效率低、成本高且装置复杂的问题。本发明通过在Stokes信号光路中引入涡旋光束产生模块，形成涡旋光束，将所述涡旋光束及泵浦光引入布里渊放大器中，实现对涡旋光束的放大。涡旋光束放大后能量达到10mJ以上，转换效率达40％以上。装置结构简单且成本低。本发明适用于微观粒子的光学囚禁与操控、激光消融加工、自由空间光通信、非线性频率变换和强场电离等领域。

Description

涡旋光束布里渊放大方法及实现该方法的系统
技术领域
本发明涉及涡旋激光放大技术。
背景技术
涡旋光束是具有螺旋型相位分布，在传播方向上中心强度为零的环状空心光束，其光场分布中含有相位因子exp(ilθ)，光束中每个光子携带的轨道角动量，l称为拓扑电荷数。涡旋激光具有轨道角动量，桶状强度分布和无加热效应等新颖独特的物理性质，在微观粒子的光学囚禁与操控、激光消融加工、自由空间光通信、非线性频率变换和强场电离等领域有重大应用前景。涡旋光束一般可以通过螺旋相位板(SPP)、空间光调制器(SLM)和少模光纤产生。然而，SPP和SOM等器件损伤阈值很低，光纤法产生效率较低。因此，迫切需要一种高效率、高能量和低成本的涡旋光束放大技术。
2009年《Optics Express》第17卷第16期[页码：14362-14366]发表的《High powerpicosecond vortex laser based on a large-mode-area fiber amplifier》提出在光纤里放大涡旋激光的方法，实验中采用保偏掺Yb3+双包层光纤作为放大器，光纤一端输入脉冲宽度为4.5ps的1064.4nm激光作为种子光，利用力载法激发出不同拓扑电荷数的涡旋光束模式，另一端输入975nm的LD激光作为泵浦光，经放大后涡旋激光的输出功率达8.5W，转换效率为29％，放大的涡旋脉冲宽度约为4.5ps。随后，他们发现皮秒涡旋脉冲通常能量很低，不能满足一些新的应用需求，如金属微针的加工等，所以2011年该课题组[Opt.Express,2011,19(15):14420-14425]采用脉冲宽度为14ns的Nd:YVO4激光，基于前述方法产生了能量为0.83mJ、脉冲宽度为14ns的涡旋光束，转换效率为31％，这也是目前光纤法所获得的指标最高的结果。
该实验装置中需要两台激光器，成本比较高；且需要通过力载法将入射到光纤内的信号光变换为涡旋光，这种力载法对光纤施加的扭力和压力控制较难量化，且需要特殊的施力装置；转换效率受光纤SBS阈值的限制，很难再进一步提高。
2013年德国光科学普朗克研究所的Trabold等人[Opt.Lett.,2013,38(5):600-602]提出在充氢的空心光子晶体光纤(PCF)中，利用受激拉曼散射(SRS)对光纤中的高阶模式进行放大，脉冲宽度为1.8ns的1064nm激光首先通过充氢的光子带隙PCF产生Stokes信号光，该信号光入射到SLM上产生包括涡旋激光在内的高阶模式(HOM)，然后HOM光和基模泵浦光一起进入充氢的Kagome PCF放大器中，发生SRS放大，空心LP11模式的涡旋激光放大率为280，输出能量小于10μJ。
该方案的缺点是光子晶体光纤价格昂贵，气体的拉曼增益系数比较低，放大率不高，输出能量较低。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有涡旋激光产生效率低、放大器转换效率低、成本高且装置复杂的问题，提供一种基于受激布里渊散射原理的涡旋光束布里渊放大方法及实现该方法的系统。
本发明所述的涡旋光束布里渊放大方法为：在Stokes信号光路中引入涡旋光束产生模块，形成涡旋光束，将所述涡旋光束引入布里渊放大器中进行放大。
实现上述方法的系统包括激光器、1/2波片、一号偏振分光片、Stokes信号光产生模块、一号全反镜、涡旋光束产生模块、放大器模块、二号全反镜和三号全反镜；
所述激光器产生的激光经过1/2波片透射后，入射至一号偏振分光片，并被该一号偏振分光片分为两束：反射光S偏振光和透射光P偏振光，S偏振光入射至Stokes信号光产生模块，该Stokes信号光产生模块产生的Stokes信号光经一号偏振分光片透射后入射至一号全反镜的表面，被一号全反镜反射后入射至涡旋光束产生模块，该涡旋光束产生模块输出的光作为信号光入射至放大器模块的信号光入射端；从一号偏振分光片透射出的P偏振光依次被二号全反镜和三号全反镜反射，然后作为泵浦光入射至放大器模块的泵浦光入射端。
本发明所述的涡旋光束布里渊放大方法利用受激布里渊散射原理实现放大，信号光和泵浦光以共线或非共线的形式入射到放大器介质中，当两束光的频率差为放大器介质的布里渊频移时(信号光为下频移Stokes光)，在放大器介质内部将发生布里渊放大，即泵浦光的能量将转移到信号光上，实现对信号光的放大，且放大的信号光与输入信号光的强度与相位分布形式相同。当信号光为螺旋式相位分布的涡旋光束，泵浦光为平面相位分布的高斯光束，且泵浦光斑直径大于或等于信号光斑直径时，可实现涡旋光束的布里渊放大。采用上述方法，涡旋光束放大后能量能够达到10mJ以上，转换效率达40％以上。
本发明所述的实现涡旋光束布里渊放大方法的系统中，放大器模块利用受激布里渊散射原理对信号光进行高效率、高能量放大，涡旋光束放大后能量能够达到10mJ以上，转换效率达40％以上。信号光与泵浦光均由激光器产生，整个装置仅需要一台激光器，结构简单且成本低，操作简单，能够满足实际应用需求。
附图说明
图1为实施方式二所述的涡旋光束布里渊放大系统的结构示意图；
图2为实施方式五中的放大器模块的结构示意图；
图3为实施方式七中的放大器模块的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式所述的涡旋光束布里渊放大方法为：在Stokes信号光路中引入涡旋光束产生模块，形成涡旋光束，将所述涡旋光束引入布里渊放大器中进行放大。
本实施方式所述的方法利用受激布里渊散射原理实现放大，信号光和泵浦光以共线或非共线的形式入射到放大器介质中，当两束光的频率差为放大器介质的布里渊频移时(信号光为下频移Stokes光)，在放大器介质内部将发生布里渊放大，即泵浦光的能量将转移到信号光上，实现对信号光的放大，且放大的信号光与输入信号光的强度与相位分布形式相同。当信号光为螺旋式相位分布的涡旋光束，泵浦光为平面相位分布的高斯光束，且泵浦光斑直径大于或等于信号光斑直径时，可实现涡旋光束的布里渊放大。采用上述方法，涡旋光束放大后能量能够达到10mJ以上，转换效率达40％以上。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式是实现实施方式一所述的涡旋光束布里渊放大方法的系统，该系统包括激光器1、1/2波片2、一号偏振分光片3、Stokes信号光产生模块4、一号全反镜5、涡旋光束产生模块6、放大器模块7、二号全反镜8和三号全反镜9；
所述激光器1产生的激光经过1/2波片2透射后，入射至一号偏振分光片3，并被该一号偏振分光片3分为两束：反射光S偏振光和透射光P偏振光，S偏振光入射至Stokes信号光产生模块4，该Stokes信号光产生模块4产生的Stokes信号光经一号偏振分光片3透射后入射至一号全反镜5的表面，被一号全反镜5反射后入射至涡旋光束产生模块6，该涡旋光束产生模块6输出的光作为信号光入射至放大器模块7的信号光入射端；从一号偏振分光片3透射出的P偏振光依次被二号全反镜8和三号全反镜9反射，然后作为泵浦光入射至放大器模块7的泵浦光入射端。
激光器1发出的线偏振态激光入射至1/2波片2，经1/2波片2后输出具有P偏振态分量和S偏振态分量的激光，并入射至一号偏振分光片3，该一号偏振分光片3反射S偏振态分量的激光，并透射P偏振态分量的激光。被一号偏振分光片3反射输出的S偏振态分量的激光进入Stokes信号光产生模块4，形成具有Stokes频移的P偏振态信号光，该信号光透过一号偏振分光片3后，被一号全反镜5反射进入涡旋光束产生模块6，涡旋光束产生模块6产生P偏振态的涡旋光束，该涡旋光束作为信号光进入放大器模块7中；由一号偏振分光片3透射出的P偏振分量的激光经二号全反镜8和三号全反镜9反射后，作为泵浦光入射至放大器模块7中，泵浦光和信号光在放大器模块7中发生相互作用后，泵浦光的能量向信号光转移，放大后的涡旋光束由放大器模块7中的输出端输出。
本实施方式所述的涡旋光束布里渊放大系统基于受激布里渊散射原理，能够对涡旋光束实现高效率、高能量放大，装置简单、操作方便、成本较低，能够满足实际应用需求。
利用本实施方式所述的放大系统，涡旋光束放大后能量能够达到10mJ以上，转换效率达40％以上。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式二所述的实现涡旋光束布里渊放大方法的系统的进一步限定，本实施方式中，所述的Stokes信号光产生模块4包括一号1/4波片4-1、聚焦透镜4-2和产生器介质4-3，经一号偏振分光片3反射的S偏振光依次经过一号1/4波片4-1透射和聚焦透镜4-2聚焦后，入射至产生器介质4-3，产生器介质4-3输出的信号光经过聚焦透镜4-2后入射至一号1/4波片4-1，经一号1/4波片4-1透射后入射至一号偏振分光片3。
由一号偏振分光片3反射的S偏振分量的激光经过一号1/4波片4-1透射后输出左旋圆偏振光，所述左旋圆偏振光经过聚焦透镜4-2进入产生器介质4-3中，产生器介质4-3输出的受激布里渊Stokes散射光为右旋圆偏振光，所述右旋圆偏振光沿原路返回，经聚焦透镜4-2透射后，再入射至一号1/4波片4-1，该一号1/4波片4-1将入射的右旋圆偏振光全部转换成P偏振态的光束，经一号偏振分光片3透射，形成Stokes信号光。
具体实施方式四：本实施方式是对实施方式二所述的实现涡旋光束布里渊放大方法的系统的进一步限定，本实施方式中，所述的涡旋光束产生模块6为螺旋相位板、空间光调制器或涡旋光纤。
螺旋相位板、空间光调制器或涡旋光纤均为光束变换装置，由Stokes信号光产生模块4输出的Stokes信号光入射至上述光束变换装置，形成涡旋光束信号光。这里的涡旋光纤可以利用斜入射法产生涡旋光束，并不需要力载法实现。
具体实施方式五：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对实施方式二所述的实现涡旋光束布里渊放大方法的系统的进一步限定，本实施方式中，所述的放大器模块7包括放大介质7-1。
本实施方式中，放大器模块7为非共线结构，即信号光与泵浦光的夹角为α，且0＜α＜90°，由于信号光与泵浦光方向不重合，放大后的涡旋光束直接沿信号光方向输出。因而非共线结构的优势有两点：一是节省光学元件；二是避开泵浦光的后向散射光，提高放大涡旋光束的信噪比。
具体实施方式六：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对实施方式五所述的实现涡旋光束布里渊放大方法的系统的进一步限定，本实施方式中，所述的放大器模块7的信号光与泵浦光的夹角α为0.6～30°。
具体实施方式七：结合图3说明本实施方式，本实施方式是对实施方式五所述的实现涡旋光束布里渊放大方法的系统的进一步限定，本实施方式中，所述的放大器模块7还包括二号偏振分光片7-2，二号1/4波片7-3和三号1/4波片7-4，经三号全反镜9反射出的光经二号偏振分光片7-2透射后入射至二号1/4波片7-3，并经二号1/4波片7-3透射后入射至放大介质7-1，放大器模块7的信号光与泵浦光的夹角α为0°，涡旋光束产生模块6输出的涡旋光束入射至三号1/4波片7-4，并经三号1/4波片7-4透射后入射至放大介质7-1，放大的涡旋光束经二号1/4波片7-3透射后，入射至二号偏振分光片7-2，并被该二号偏振分光片7-2反射后作为所述的涡旋光束布里渊放大系统的输出光输出。
本实施方式中，放大器模块7为共线结构，泵浦光和信号光对向传输，且夹角为零。三号全反镜9反射出的泵浦光经经二号偏振分光片7-2透射出p偏振分量的泵浦光，p偏振分量的泵浦光经二号1/4波片7-3透射后，输出左旋圆偏振光，所述左旋圆偏振光进入放大介质7-1中；涡旋光束产生模块6形成的涡旋光束信号光经三号1/4波片7-4透射后输出右旋圆偏振光(从泵浦光输入端看)，所述右旋圆偏振光进入放大介质7-1中，泵浦光束和涡旋光束信号光对向传输，并在放大介质7-1中发生布里渊放大作用。共线结构中由于引入了二号偏振分光片7-2，提取放大的涡旋光束比较方便。
具体实施方式八：本实施方式是对实施方式五或七所述的实现涡旋光束布里渊放大方法的系统的进一步限定，本实施方式中，所述的放大介质7-1为液体介质或光纤。
本实施方式中，所述的放大介质7-1为液体介质或光纤等固体介质。由于信号光已经是涡旋光的形式，因此放大介质7-1的作用只是对信号光进行放大。液体放大介质的转换效率不受SBS阈值的限制，与传统的光纤放大介质相比，转换效率得到提高。且无论采用液体介质还是光纤，都不需要特殊的施力装置及复杂的扭力和压力控制方法，装置结构简单。
具体实施方式九：本实施方式是对实施方式三所述的实现涡旋光束布里渊放大方法的系统的进一步限定，本实施方式中，所述的产生器介质4-3的长度为10cm～60cm。
具体实施方式十：本实施方式是对实施方式九所述的实现涡旋光束布里渊放大方法的系统的进一步限定，本实施方式中，所述的聚焦透镜4-2的焦距为5cm～30cm。

Claims (10)

1.涡旋光束布里渊放大方法，其特征在于：该方法为：在Stokes信号光路中引入涡旋光束产生模块，形成涡旋光束，将所述涡旋光束引入布里渊放大器中进行放大。
2.实现权利要求1所述的涡旋光束布里渊放大方法的系统，其特征在于：它包括激光器(1)、1/2波片(2)、一号偏振分光片(3)、Stokes信号光产生模块(4)、一号全反镜(5)、涡旋光束产生模块(6)、放大器模块(7)、二号全反镜(8)和三号全反镜(9)；
所述激光器(1)产生的激光经过1/2波片(2)透射后，入射至一号偏振分光片(3)，并被该一号偏振分光片(3)分为两束：反射光S偏振光和透射光P偏振光，S偏振光入射至Stokes信号光产生模块(4)，该Stokes信号光产生模块(4)产生的Stokes信号光经一号偏振分光片(3)透射后入射至一号全反镜(5)的表面，被一号全反镜(5)反射后入射至涡旋光束产生模块(6)，该涡旋光束产生模块(6)输出的光作为信号光入射至放大器模块(7)的信号光入射端；从一号偏振分光片(3)透射出的P偏振光依次被二号全反镜(8)和三号全反镜(9)反射，然后作为泵浦光入射至放大器模块(7)的泵浦光入射端。
3.根据权利要求2所述的实现涡旋光束布里渊放大方法的系统，其特征在于：所述的Stokes信号光产生模块(4)包括一号1/4波片(4-1)、聚焦透镜(4-2)和产生器介质(4-3)，经一号偏振分光片(3)反射的S偏振光依次经过一号1/4波片(4-1)透射和聚焦透镜(4-2)聚焦后，入射至产生器介质(4-3)，产生器介质(4-3)输出的信号光经过聚焦透镜(4-2)后入射至一号1/4波片(4-1)，经一号1/4波片(4-1)透射后入射至一号偏振分光片(3)。
4.根据权利要求2所述的实现涡旋光束布里渊放大方法的系统，其特征在于：所述的涡旋光束产生模块(6)为螺旋相位板、空间光调制器或涡旋光纤。
5.根据权利要求2所述的实现涡旋光束布里渊放大方法的系统，其特征在于：所述的放大器模块(7)包括放大介质(7-1)。
6.根据权利要求5所述的实现涡旋光束布里渊放大方法的系统，其特征在于：所述的放大器模块(7)的信号光与泵浦光的夹角α为0.6°～30°。
7.根据权利要求5所述的实现涡旋光束布里渊放大方法的系统，其特征在于：所述的放大器模块(7)还包括二号偏振分光片(7-2)，二号1/4波片(7-3)和三号1/4波片(7-4)，经三号全反镜(9)反射出的光经二号偏振分光片(7-2)透射后入射至二号1/4波片(7-3)，并经二号1/4波片(7-3)透射后入射至放大介质(7-1)，放大器模块(7)的信号光与泵浦光的夹角α为0°，涡旋光束产生模块(6)输出的涡旋光束入射至三号1/4波片(7-4)，并经三号1/4波片(7-4)透射后入射至放大介质(7-1)，放大的涡旋光束经二号1/4波片(7-3)透射后，入射至二号偏振分光片(7-2)，并被该二号偏振分光片(7-2)反射后作为所述的涡旋光束布里渊放大系统的输出光输出。
8.根据权利要求5或7所述的实现涡旋光束布里渊放大方法的系统，其特征在于：所述的放大介质(7-1)为液体介质或光纤。
9.根据权利要求3所述的实现涡旋光束布里渊放大方法的系统，其特征在于：所述的产生器介质(4-3)的长度为10cm～60cm。
10.根据权利要求9所述的实现涡旋光束布里渊放大方法的系统，其特征在于：所述的聚焦透镜(4-2)的焦距为5cm～30cm。
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