CN105024268A - 一种基于染料增益的矢量光束产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于染料增益的矢量光束产生装置，采用圆锥面光场回返元件为轴对称棱镜结构，一端为顶端圆锥曲面，一端为垂直于对称轴的顶端平面，采用单一轴对称棱镜结构作为谐振腔的一端反馈部件，由管状腔体为染料增益容器，一端设置有反射镜，另一端设置有圆锥面光场回返元件，反射镜和圆锥面光场回返元件构成激光谐振腔，基于染料增益和圆锥面光学作用原理，结合布鲁斯特角的偏振选择特性，利用布鲁斯特角实现偏振态选择，实现径向偏振矢量光束输出，同时基于圆环形圆锥曲面实现腔内径向偏振矢量光束强聚焦，实现纵向偏振态光场输出。本发明制作工艺简单、结构简洁、便于构建，可实现径向偏振矢量光束输出，纵向偏振态光场输出。

Description

一种基于染料增益的矢量光束产生装置

技术领域

本发明涉及一种光学技术，特别涉及一种基于染料增益的矢量光束产生装置。

背景技术

激光产生装置是利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质中放大或振荡发射的器件，产生激光需要粒子数翻转和增益大过损耗，激光产生装置要包含有激励源和工作介质。目前常见激光产生装置有气体激光器、固体激光器、染料激光器、半导体激光器，近期文献中也展示了纳米激光器、活体生物激光器等新型激光器。

在先技术中，存在一种染料激光光源，参见一个已经授权美国专利，美国专利名称：Line-narrow dye laser，专利号：US7254156B2，授权时间：2007年8月7日，发明人：Bernd Nikolaus等人。该燃料激光器具有相当的优点，但是，仍然存在一些本质不足：1）系统采用光学光栅微纳结构形成反馈，这样从本质上是的系统对制备工艺要求很高，制备激光器的工序复杂、难度大；2）激光器系统包含有楔形部件等多个部件，相互位置和方位设置要求高，导致整个系统结构复杂，装调难度大，降低系统工作的可靠性，影响了光源使用范围和应用灵活性；3）此激光器在本质上无法实现径向偏振矢量光束的输出，本质上无法实现纵向偏振态光场输出。

发明内容

本发明是针对现在染料激光光源存在的问题，提出了一种基于染料增益的矢量光束产生装置，制作工艺简单、结构简洁、便于构建，可实现径向偏振矢量光束输出，纵向偏振态光场输出。

本发明的技术方案为：一种基于染料增益的矢量光束产生装置，包括管状腔体、反射镜、圆锥面光场回返元件、染料增益介质、泵浦源，圆锥面光场回返元件为轴对称棱镜结构，前端为顶端圆锥曲面，后端为垂直于对称轴的顶端平面，在圆锥曲面和顶端平面之间为圆环形圆锥曲面，沿着对称轴的切面剖物面为轴对称五边形，管状腔体为透明圆柱筒状结构，反射镜有反射层的一面盖在管状腔体一端，反射层与管状腔体轴垂直，圆锥面光场回返元件的顶端圆锥曲面插入管状腔体的另一端，圆锥面光场回返元件与管状腔体同轴，管状腔体圆柱面上有一个入口和一个出口，染料增益介质从入口注入管状腔体内，从出口流出管状腔体，管状腔体圆柱面上方有泵浦源，泵浦源出射泵浦光束穿过管状腔体照射到内部的染料增益介质上，受激发，受激辐射光场在反射镜和圆锥面光场回返元件构成的激光谐振腔内进行振荡，实现径向偏振矢量光束和纵向偏振态光场的输出。

所述泵浦源和管状腔体之间还设置有泵浦光束整形部件。

所述泵浦光束整形部件为透射式光束整形部件、衍射式光束整形部件、反射式光束整形部件中的一种。

所述管状腔体为玻璃圆柱筒状结构、石英圆柱筒状结构的一种。

所述反射镜的反光膜在激光工作波长处的反射率大于96%。

所述圆锥面光场回返元件为玻璃轴对称棱镜结构、晶体轴对称棱镜结构、高分子透光材料轴对称棱镜结构中的一种。

所述的泵浦源为非相干光源、半导体激光器、气体激光器、固态激光器中的一种。

本发明的有益效果在于：本发明基于染料增益的矢量光束产生装置，在先技术系统采用光学光栅微纳结构形成反馈，这样从本质上是的系统对制备工艺要求很高，制备激光器的工序复杂、难度大。本发明采用圆锥面光场回返元件为轴对称棱镜结构，一端为顶端圆锥曲面，一端为垂直于对称轴的顶端平面，采用单一轴对称棱镜结构作为谐振腔的一端反馈部件，不设计到微纳结构加工，制作工艺简单、结构简洁、便于构建；在先技术激光器系统包含有楔形部件等多个部件，相互位置和方位设置要求高，导致整个系统结构复杂，装调难度大，降低系统工作的可靠性，影响了光源使用范围和应用灵活性，本发明中，由管状腔体为染料增益容器，一端设置有反射镜，另一端设置有圆锥面光场回返元件，反射镜和圆锥面光场回返元件构成激光谐振腔，系统结构简单、便于装调，具有可靠性高、灵活性强、应用范围广等特点；在先技术在本质上无法实现径向偏振矢量光束和纵向偏振态光场输出。本发明是基于染料增益和圆锥面光学作用原理，结合布鲁斯特角的偏振选择特性，利用布鲁斯特角实现偏振态选择，实现径向偏振矢量光束输出，同时基于圆环形圆锥曲面实现腔内径向偏振矢量光束强聚焦，实现纵向偏振态光场输出。因此，本发明可以实现径向偏振矢量光束和纵向偏振态光场输出，在激光谐振腔内进行模式选择输出，输出光束质量高。

附图说明

图1为本发明基于染料增益的矢量光束产生装置结构示意图。

具体实施方式

如图1所示基于染料增益的矢量光束产生装置结构示意图,包括管状腔体1、反射镜2、圆锥面光场回返元件3、染料增益介质4、泵浦源5；管状腔体1为圆柱筒状结构，反射镜2设置在管状腔体1的一端，并与管状腔体1相互连接，反射镜2的反射层朝向管状腔体1；圆锥面光场回返元件3设置在管状腔体1的另一端，反射镜2和圆锥面光场回返元件3构成激光谐振腔，染料增益介质4设置在管状腔体1内部；圆锥面光场回返元件3为轴对称棱镜结构（图中点画线为轴线），前端为顶端圆锥曲面301，后端为垂直于对称轴的顶端平面303，在圆锥曲面301和顶端平面303之间为圆环形圆锥曲面302，沿着对称轴的切面剖物面为轴对称五边形，圆锥面光场回返元件3的顶端圆锥曲面301与管状腔体1相连接，管状腔体、反射镜和圆锥面光场回返元件形成一个腔体，顶端圆锥曲面301与对称轴的夹角θ为激光工作波长的布鲁斯特角，平行光轴光场在圆环形圆锥曲面发生全反射；泵浦源5设置在管状腔体1圆柱面上方，泵浦源5出射泵浦光束穿过管状腔体1照射到内部的染料增益介质4上。

本实施例中，管状腔体1圆柱面上设置有一个入口101和一个出口102；泵浦源5和管状腔体1之间设置有透射式光束整形部件6；管状腔体1为玻璃圆柱筒状结构；反射镜2的激光工作波长处的反射率为99%；圆锥面光场回返元件3为玻璃轴对称棱镜结构；泵浦源5为非相干光源；染料增益介质4为罗丹明6G分子复合颗粒分散到绝缘油中构成的流体。

本实施例的工作过程为：管状腔体1为圆柱筒状结构，染料增益介质4设置在管状腔体1内部，反射镜2设置在管状腔体1的一端，并与管状腔体1相互连接，反射镜2的反射层朝向管状腔体1；圆锥面光场回返元件3设置在管状腔体1的另一端，反射镜2和圆锥面光场回返元件3构成激光谐振腔；泵浦源5出射泵浦光束经过透射式光束整形部件6后，会聚到染料增益介质4处进行激光激发，受激辐射光场在激光谐振腔内进行振荡，往复经过染料增益介质4得到增益，为了充分发挥染料增益介质4作用，管状腔体1圆柱面上设置有一个入口101和一个出口102，染料增益介质4动态地从入口101流入，从出口102流出（染料增益介质4为可以流动的流体，在使用过程中，在染料增益介质4充满管状腔体1内部后，可以使流动的，也可以是不流动的，但是在不断流入和流出状态下工作特性会更好，所以染料增益介质4充满管状腔体1内部后，保持染料增益介质4不断从从入口101流入，从出口102流出，处于动态过程）；受激辐射光场在经过圆锥面光场回返元件3时，在圆锥面光场回返元件3的圆锥曲面301处发生布鲁斯特角作用，实现了系统对光场偏振特性的选择调节作用，实现激光谐振腔的径向偏振矢量光场激发谐振模式，在圆锥面光场回返元件3的圆环形圆锥曲面302全反射作用下发生径向偏振矢量光场会聚效应，在顶端圆锥曲面301光场输出一侧产生纵向偏振态光场；由于是在激光谐振腔内实现的偏振调控和光场模式选择输出，得到了高质量出射矢量光束。

如图1中OXYZ，与轴线平行的方向，垂直303面向外为纵向，也就是X轴方向，与轴线垂直的方向为径向，也就是OYZ面垂直X轴向外的方向为径向：图中8为纵向偏振态光场，图中7为径向偏振光场。激光工作原理就是在反射镜2和圆锥面光场回返元件3之间空间内存在增益介质，在泵浦情况下在高反射镜处输出激光束，由于在本系统中反射镜2作用就是激光工作原理中的一侧腔镜，所以存在激光输出，由于圆锥面光场回返元件3的圆环形圆锥曲面302为圆锥曲面，对光场偏振态具有选择性，导致径向偏振光输出。

本实施例在反射镜2一侧成功实现了570纳米波长的径向偏振光输出，在圆锥面光场回返元件3的顶端平面303一侧实现了570纳米波长的纵向偏振态光场输出。本发明具有制作工艺简单、结构简洁、便于构建、可靠性高、灵活性强、应用范围广、可实现径向偏振矢量光束输出、可实现纵向偏振态光场输出、光束质量高等特点。

所述泵浦源和管状腔体之间设置有透射式光束整形部件、衍射式光束整形部件、反射式光束整形部件中的一种。

所述管状腔体为玻璃圆柱筒状结构、石英圆柱筒状结构的一种。

所述反射镜的反光膜在激光工作波长处的反射率大于96%。

所述圆锥面光场回返元件为玻璃轴对称棱镜结构、晶体轴对称棱镜结构、高分子透光材料轴对称棱镜结构中的一种。

所述的泵浦源为非相干光源、半导体激光器、气体激光器、固态激光器中的一种。

Claims (7)

1.一种基于染料增益的矢量光束产生装置，其特征在于，包括管状腔体、反射镜、圆锥面光场回返元件、染料增益介质、泵浦源，圆锥面光场回返元件为轴对称棱镜结构，前端为顶端圆锥曲面，后端为垂直于对称轴的顶端平面，在圆锥曲面和顶端平面之间为圆环形圆锥曲面，沿着对称轴的切面剖物面为轴对称五边形，管状腔体为透明圆柱筒状结构，反射镜有反射层的一面盖在管状腔体一端，反射层与管状腔体轴垂直，圆锥面光场回返元件的顶端圆锥曲面插入管状腔体的另一端，圆锥面光场回返元件与管状腔体同轴，管状腔体圆柱面上有一个入口和一个出口，染料增益介质从入口注入管状腔体内，从出口流出管状腔体，管状腔体圆柱面上方有泵浦源，泵浦源出射泵浦光束穿过管状腔体照射到内部的染料增益介质上，受激发，受激辐射光场在反射镜和圆锥面光场回返元件构成的激光谐振腔内进行振荡，实现径向偏振矢量光束和纵向偏振态光场的输出。

2.根据权利要求1所述基于染料增益的矢量光束产生装置，其特征在于，所述泵浦源和管状腔体之间还设置有泵浦光束整形部件。

3.根据权利要求2所述基于染料增益的矢量光束产生装置，，其特征在于，所述泵浦光束整形部件为透射式光束整形部件、衍射式光束整形部件、反射式光束整形部件中的一种。

4.根据权利要求1所述基于染料增益的矢量光束产生装置，其特征在于，所述管状腔体为玻璃圆柱筒状结构、石英圆柱筒状结构的一种。

5.根据权利要求1所述基于染料增益的矢量光束产生装置，其特征在于，所述反射镜的反光膜在激光工作波长处的反射率大于96%。

6.根据权利要求1所述基于染料增益的矢量光束产生装置，其特征在于，所述圆锥面光场回返元件为玻璃轴对称棱镜结构、晶体轴对称棱镜结构、高分子透光材料轴对称棱镜结构中的一种。

7.根据权利要求1所述基于染料增益的矢量光束产生装置，其特征在于，所述的泵浦源为非相干光源、半导体激光器、气体激光器、固态激光器中的一种。