CN104795722A

CN104795722A - 一种用于操控微粒子的模式可控激光笔

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Publication number: CN104795722A
Application number: CN201510238067.3A
Authority: CN
Inventors: 李超玉; 董俊
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2015-05-12
Filing date: 2015-05-12
Publication date: 2015-07-22

Abstract

一种用于操控微粒子的模式可控激光笔，涉及激光器。设有泵浦源、微透镜、第一透镜、第二透镜、激光工作物质层、输出耦合镜、倍频晶体；所述泵浦源、微透镜、第一透镜、第二透镜、激光工作物质层、输出耦合镜、倍频晶体从前至后依次排列于同一光轴上。所述泵浦源可采用对应波长的高亮度单管二极管。采用多种实现模式可控的操作方法；采用灵活多变的结构，可随时拆卸、组装；用于控制模式的操作手段丰富多样；整体构造可设置为五段式，可以以内部螺纹结构拼接而成；直接产生可控IG模式的激光输出；泵浦源亮度高，体积小，使得成品小型化、集成化和实用化；激光器工作器件可按需求搭配。激光方向性好、亮度高、脉宽窄、峰值功率高。

Description

一种用于操控微粒子的模式可控激光笔

技术领域

本发明涉及激光器，尤其是涉及一种用于操控微粒子的模式可控激光笔。

背景技术

激光技术是20世纪与原子能、半导体及计算机齐名的四项重大发明之一。激光具备单色性好、相干性好、方向性好、亮度高等优点，其主要应用在工业、医疗、商业、科研、信息和军事等六大领域。

随着激光器的发展及对激光应用更深入的研究，研究人员在实验中观察到多种横模花斑，并从理论上通过求解近轴波动方程在三种坐标下得到了三种对应的完备解系。在直角坐标系下得到厄米尔特–高斯(HG)光束；在圆坐标系下得到拉盖尔–高斯(LG)光束；在椭圆坐标系下得到因斯-高斯(IG)光束。椭圆坐标系下的第三种完整解——IG光束拥有比其它两种光束更为丰富的横向光场分布和灵活多样性，通过选择适当的椭圆率因子可以实现LG光束、IG光束与HG光束之间的相互转化。因此，生成IG光束的激光器具有非常广阔的应用前景。

研究实现可控IG激光模式输出的激光器有多种。2004年，德国雷根斯堡大学科研人员([1]U.T.Schwarz,et al.Observation of Ince–Gaussian modes in stable resonators.Opt.Lett.29(16):1870-1872(2004))通过轻微打破谐振腔的对称性，首次在激光二极管泵浦的Nd:YVO4固体激光器中直接产生高质量的高阶IG模式,此研究在吸收光功率为300mW时获得了20mW的激光输出，光-光转换效率不到7％，效率较低。2011年，M.Woerdeman等人([2]Mike Woerdemann,et al.Optical assembly of microparticles into highly orderedstructures using Ince–Gaussian beams.Appl.Phys.Lett.98,111101(2011))利用激光光束通过全息技术制备的空间光调制器(SLM)产生了不同模式的IG光束,虽然此研究可以实现不同IG模式激光光束输出,但是其不仅效率低下、结构复杂，并且成本昂贵。2013年，南非Kwazulu-Natal大学的研究人员([3]Sandile Ngcobo,et al.A digital laser foron-demand laser modes.Nat.Commun.4:2289(2013))利用数字全息技术制备的纯相位反射型的空间光调制器形成一个可擦除的全息后腔镜替代传统激光器中的后腔镜实现了模式可控的数字激光器，此研究在吸收泵浦光功率为23.5W下获得12.5mW的激光输出，光学转换效率不到千分之一。此外，空间光调制器(SLM)的损伤阈值低，不适合高功率激光运行，另外，空间光调制器(SLM)的分辨率不高，并不能完全满足各种不同激光模式的输出。2013年，J.Dong等人([4]J.Dong,et al.Generation of Ince-Gaussian beams in highly efficient,nanosecond Cr,Nd:YAG microchip lasers.Laser Phys.Lett.10(7)(2013))通过调节激光二极管泵浦光入射到Cr,Nd:YAG微片的角度，首次在Cr,Nd:YAG自调Q微片激光器中直接产生高阶IG模式脉冲激光光束输出，此研究不仅结构简单，而且单脉冲峰值功率高达2kW，光学转换效率更是高达25％。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于操控微粒子的模式可控激光笔。

本发明设有泵浦源、微透镜、第一透镜、第二透镜、激光工作物质层、输出耦合镜、倍频晶体；

所述泵浦源、微透镜、第一透镜、第二透镜、激光工作物质层、输出耦合镜、倍频晶体从前至后依次排列于同一光轴上。

所述泵浦源可采用对应波长的高亮度单管二极管。所述泵浦源可采用808nm半导体激光二极管。

所述激光工作物质层可选用多种用于生成IG激光模式的工作物质，比如：Cr,Nd:YAG双掺晶体、Nd:YVO4/Cr4+:YAG复合晶体或Nd:GdVO4/Cr4+:YAG复合晶体等。

所述Cr,Nd:YAG双掺晶体后表面可镀1064nm高反膜和808nm增透膜，前表面可镀1064nm增透膜及808nm高反膜。

本发明具有以下特点：

1、可采用多种实现模式可控的操作方法。

2、本发明采用灵活多变的结构，可随时拆卸、组装。

3、用于控制模式的操作手段丰富多样，本发明的控制模式有：

第一种是打破腔体的对称性，通过改变倾斜的角度实现模式可控。

第二种是通过改变泵浦光斑的大小实现模式可控。改变泵浦光斑的大小可以有多种方法。比如：改变泵浦源到透镜组的距离、改变透镜组之间的距离、改变透镜组到工作物质的距离、改变透镜组的焦距。

第三种是通过改变泵浦功率的大小实现模式可控。

4、本发明整体构造可设置为五段式，可以以内部螺纹结构拼接而成。

第一段放置泵浦光源和微透镜等结构，得到所需泵浦光；第二、三段放置透镜组，对泵浦光进行准直、聚焦；第四段放置激光工作物质层及输出耦合镜，得到多种横模激光光束并通过耦合镜输出；若需要用可见光展示，本发明可在第五段放置倍频晶体，生成可见光。

5、直接产生可控IG模式的激光输出。

6、使用高亮度的单管激光二极管作为泵浦源，其亮度高，体积小，使得成品小型化、集成化和实用化。

7、激光器工作器件可按需求搭配。比如：选择不同的工作介质，搭配焦距不同的透镜组，选择反射率不同的输出耦合镜，选择是否加入倍频晶体。

8、激光器谐振腔体结构可按需求选择。

9、所得激光方向性好、亮度高、脉宽窄、峰值功率高；模式可控的激光器做成激光笔外观精美小巧；发明成品使用方便、操作简单；发明成品使用的光学元件少，生产成本低。

附图说明

图1为单管二极管端面泵浦双端镀膜的Cr，Nd:YAG双掺晶体用于本发明微片结构中获得模式可控的激光输出实验装置图。

图2为本发明的整体构造图。

图3为本发明第四段不同谐振腔体结构内部示意图。

图4为IG光束部分仿真横模花斑图样。

具体实施方式

本发明使用在小型化全固态激光器中通过打破谐振腔对称性生成多种激光模式的构造，可实现激光模式可控的方案以高亮度的808nm半导体激光二极管端面泵浦双端镀膜的Cr,Nd:YAG双掺晶体生成IG模式为例说明。

所述高亮度的单管二极管泵浦源可采用高亮度的808nm半导体激光二极管；所述激光工作物质层可选用Cr,Nd:YAG双掺晶体，此晶体的后表面镀1064nm高反膜和808nm增透膜，前表面镀1064nm增透膜及808nm高反膜。

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1，本发明实施例设有808nm半导体激光二极管泵浦源1、微透镜2、第一透镜3、第二透镜4、激光工作物质层——Cr,Nd:YAG双掺晶体5，晶体后表面镀1064nm高反膜和808nm增透膜、前表面镀1064nm增透膜及808nm高反膜，与输出耦合镜6共同构成激光器的谐振腔。

所述泵浦源为单管激光二极管，输出波长为808nm。安装在单管激光二极管前的一个微透镜对激光二极管发射的泵浦光的快轴发散角进行压缩。然后经过第一透镜和第二透镜光学准直和聚焦后，在激光工作物质层Cr,Nd:YAG双掺晶体的入射面上形成一个一定大小面积的入射光斑，再经过激光器工作后，在出射面端得到多种IG光束。

本发明的整体结构如图2所示，从左至右：第一段为泵浦源及微透镜结构，第二段为透镜一，第三段为透镜二，第四段为激光工作物质层及输出耦合镜，第五段为自选放置的倍频晶体，实现模式可控的操作方法如下：

①改变泵浦光斑的大小。

本发明对泵浦光斑大小的控制设置在拼接激光笔的第一、二、三段螺纹，如图2所示。

a.改变透镜组的焦距。按需选定不同焦距的透镜。

b.改变泵浦源到透镜组的距离。通过旋动螺纹一，即可控制泵浦源到透镜组的距离。

c.改变透镜组之间的距离。通过旋动螺纹二，即可控制透镜组之间的距离。

d.改变透镜组到工作物质的距离。通过旋动螺纹三，即可控制透镜组到工作物质的距离。

以上操作最好保证在一定的距离范围内调整(由使用者选用的透镜焦距大小和透镜口径大小以及泵浦源光束质量因子和泵浦源输出功率的大小共同决定)。这是因为，一方面，调整得到的泵浦光斑过大会导致注入晶体的光强过低而达不到晶体的阈值，最终激光器无法出光；一方面，透镜具有一定的通光口径，在调整距离参数时一定要考虑让泵浦光尽量全部通过透镜口径从而保证激光器对泵浦光的利用率。

②改变倾斜的角度。

本发明对角度的控制设置在激光笔的第四段，激光笔第四段构造如图3。

a.如图3-a，激光器为微片结构，则按板片一11、晶体12、输出耦合镜13、板片二14从左至右排列，1号螺丝15用于固定晶体及耦合镜，对螺丝的控制就可以改变倾斜角度。

b.如图3-b，激光器为长腔结构，则按板片一11、晶体12、板片二14、板片三17、输出耦合镜13、板片四18从左至右排列，1号螺丝15用于固定晶体，2号螺丝16用于固定耦合镜，对螺丝的控制就可以改变倾斜角度。

以上操作最好保证在一定的角度范围内调整，一般来说倾斜角度最好控制在5°以内，因为角度倾斜会导致激光器对泵浦光的利用率下降，倾斜过大会导致大部分的光散射出去，最终导致激光器无法出光。

③改变泵浦功率的大小。

本发明通过以上调节方式，可得到多种IG模式花斑，其部分花斑图样的仿真图如图4所示。IG激光模式光场不仅携带了一定的轨道角动量和多个椭圆涡旋，还具备丰富的横向光场分布和灵活多样性，所以IG光束具有非常广阔的应用前景。其突出应用于：操控微粒子的分布；形成光学涡旋用作光镊从而实现光学捕获；实现大容量、保密性高的光学通信。IG激光模式最为显著的应用是应用于操控微粒子。本发明实验技术成熟，实验器材小型，可以大量投入使用。

本发明可自由选择放置倍频晶体获得可见光。按一定距离(由使用者选用的透镜焦距大小和透镜口径大小以及泵浦源光束质量因子和泵浦源输出功率的大小共同决定，可根据简单的高斯光束传播公式等自行计算操作)。

Claims

1.一种用于操控微粒子的模式可控激光笔，其特征在于设有泵浦源、微透镜、第一透镜、第二透镜、激光工作物质层、输出耦合镜、倍频晶体；

2.如权利要求1所述一种用于操控微粒子的模式可控激光笔，其特征在于所述泵浦源采用对应波长的高亮度单管二极管。

3.如权利要求1所述一种用于操控微粒子的模式可控激光笔，其特征在于所述泵浦源采用808nm半导体激光二极管。

4.如权利要求1所述一种用于操控微粒子的模式可控激光笔，其特征在于所述激光工作物质层选用多种用于生成IG激光模式的工作物质。

5.如权利要求4所述一种用于操控微粒子的模式可控激光笔，其特征在于所述用于生成IG激光模式的工作物质选自Cr,Nd:YAG双掺晶体、Nd:YVO4/Cr4+:YAG复合晶体或Nd:GdVO4/Cr4+:YAG复合晶体。

6.如权利要求5所述一种用于操控微粒子的模式可控激光笔，其特征在于Cr,Nd:YAG双掺晶体后表面镀1064nm高反膜和808nm增透膜，前表面镀1064nm增透膜及808nm高反膜。