CN106451058A - 一种激光横模模式可调控被动调q微片激光器 - Google Patents

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Abstract

一种激光横模模式可调控被动调Q微片激光器，涉及激光器。设有偏心高斯泵浦源和激光器谐振系统，偏心高斯泵浦源依次设有808nm光纤耦合激光二极管、两个透镜；808nm光纤耦合激光二极管和第二透镜位于同一光轴上；激光器谐振系统设有激光增益介质Nd:YAG晶体、调Q晶体、镀在激光增益介质Nd:YAG晶体表面的增透膜与高反膜和镀在调Q晶体表面的对1064nm波长的高反膜；激光增益介质Nd:YAG晶体、调Q晶体、镀在激光增益介质Nd:YAG晶体表面的增透膜与高反膜和镀在调Q晶体表面的对1064nm波长的高反膜固定在同一夹具中。

Description

一种激光横模模式可调控被动调Q微片激光器
技术领域
本发明涉及激光器，尤其是涉及一种激光横模模式可调控被动调Q微片激光器。
背景技术
激光横模因其光强分布的多样性受到人们的广泛关注。除了常见的基模高斯光束之外，激光器还可以输出许多高阶的激光模式，例如常见的有拉盖尔-高斯(LG)模式、因斯-高斯(IG)模式和厄米特-高斯(HG)模式，它们分别是自由空间近轴波动方程在圆柱坐标系、椭圆坐标系和直角坐标系和上的准确正交解。这些高阶模式因其光斑形状的多样性在光学俘获[1,2]、操纵微粒和生物细胞[3,4]、制备涡旋光束和涡旋阵列[5，6]等领域有广泛的应用。理论上，LG、IG和HG这三种激光模式是相互联系的，其中IG模式可以看做是LG和HG模式之间的过渡模式，只需要改变IG模式的椭圆率参数，其就可以转化为LG或HG模式[7]。
在激光器腔外产生这三种模式往往需要相位调制器件，但其损伤阈值较低，不能实现高功率输出，因此人们需要在激光器腔内直接输出高功率的高阶模式激光。但是在目前的固体激光器中，特别是微片激光器中，同一个激光器往往只能输出某一类单一的激光模式[8-10]，这也限制了高阶激光模式的实际应用。因此如何在同一个激光器中，实现这三种模式可控输出依然是个挑战，具有重要的意义。现阶段，在固体激光器中实现这三种模式输出的主要有三种方法，第一种方法是利用空间光调制器[11]，将液晶空间光调制器作为固体激光器谐振器的一个反射镜，通过操控空间光调制器来实现不同种类的激光模式输出，但是其腔型结构复杂，体积较大，效率低，且受到液晶损伤阈值低的影响不能实现高功率输出，该方法也不能应用到微片激光器中。第二种是通过扫描泵浦的方式在激光器腔内直接输出这三种高阶模式[12]，但是，受扫描区域的限制，产生的模式较为简单，且装置复杂，不利于小型化。第三种方法是在倾斜泵浦条件下，通过改变激光晶体到泵浦光焦点的位置来实现三种模式转换[13]，但其对倾斜角度的要求较高，倾斜角度较小或较大时，则不容易得到三种模式的转换，因此如何在微片激光器中实现这三类高阶模式的高效输出依然是个有待解决的难题。研究发现，普通的高斯光束离轴经过一个聚焦透镜就可以得到偏心高斯光束[14]，而改变这个离轴量的大小，可以得到不同的偏心高斯光束。使用这种新型的光束泵浦微片激光器为实现这三种模式的可控输出提供了可能。
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发明内容
本发明的目的在于提供一种激光横模模式可调控被动调Q微片激光器。
本发明设有偏心高斯泵浦源和激光器谐振系统，所述偏心高斯泵浦源依次设有808nm光纤耦合激光二极管、第一透镜、第二透镜；808nm光纤耦合激光二极管和第二透镜位于同一光轴上，第一透镜固定在三维调整架上，其位置可以侧向移动；
所述激光器谐振系统设有激光增益介质Nd:YAG晶体、调Q晶体、镀在激光增益介质Nd:YAG晶体表面的增透膜与高反膜和镀在调Q晶体表面的对1064nm波长的高反膜；所述激光增益介质Nd:YAG晶体、调Q晶体、镀在激光增益介质Nd:YAG晶体表面的增透膜与高反膜和镀在调Q晶体表面的对1064nm波长的高反膜固定在同一夹具中，方便调节，便于实际应用，激光器谐振腔后表面位置固定在泵浦光的聚焦光斑处，可以获得高光学转换效率的激光输出。
所述调Q晶体可采用Cr4+:YAG晶体。
808nm光纤耦合激光二极管和第二透镜位于同一光轴上，第一透镜固定在三维调整架上，其位置可以侧向移动，若记第一透镜侧向偏离光轴的距离为离轴量Δd，记第一透镜、第二透镜的焦距分别为f1、f2，两透镜之间距离为z1，根据矩阵光学及ABCD定律，从第二透镜出射的泵浦光入射到激光晶体表面的入射角θ为
θ值的大小表征了偏心高斯光束的偏心程度。通过改变第一透镜的离轴量d，可以得到不同偏心程度的偏心高斯光束，利用该泵浦光束对被动调Q微片激光器进行泵浦，实现不同模式输出。
偏心高斯泵浦光束的偏心程度从低到高，依次可以获得LG、IG和HG模式输出。所得到的IG模式的椭圆率参数也随着泵浦光的偏心程度增大而逐渐增大。
可进一步通过调节入射泵浦功率，控制输出激光模式的复杂程度。
所述激光工作物质也可选用其它易于产生高阶模式的激光晶体，如Cr,Nd:YAG双掺晶体、Nd:YVO4+Cr4+:YAG晶体或Nd:GdVO4+Cr4+:YAG晶体等。
本发明可产生拉盖尔-高斯模式、因斯-高斯模式和厄米特-高斯模式三类激光横模的微片激光器。偏心高斯泵浦源由光纤耦合激光二极管、第一透镜和第二透镜构成。除第一透镜外，其它元器件中心都位于同一光轴上。第一透镜位置可以侧向移动，形成所需求的偏心高斯泵浦光束。激光增益介质Nd:YAG晶体的后表面镀有对激光波长的高反膜和对泵浦波长的增透膜作为激光腔的后腔镜，调Q晶体Cr4+:YAG晶体前表面镀有对激光波长的高反膜作为激光腔的前腔镜。本发明是一种可以直接调控产生高阶拉盖尔-高斯模式、因斯-高斯模式和厄米特-高斯模式三类激光横模的被动调Q微片激光器。
附图说明
图1是基于偏心高斯光束泵浦被动调Q微片激光器输出可调控激光模式的结构示意图。
图2是微片激光器直接输出的LG模式的实验图，所得模式为三种LG模式叠加LG0,12+LG0,2+LG0,0。
图3是微片激光器直接输出的模式的实验图，其椭圆率参数为ε＝10。
图4是微片激光器直接输出的模式的实验图，其椭圆率参数为ε＝20。
图5是微片激光器直接输出的HG2,4模式的实验图。
图6是微片激光器直接输出的HG0,6模式的实验图。
具体实施方式
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，本发明设有偏心高斯泵浦源和激光器谐振系统，所述偏心高斯泵浦源依次设有808nm光纤耦合激光二极管1、第一透镜2、第二透镜3；808nm光纤耦合激光二极管1和第二透镜3位于同一光轴上，第一透镜2固定在三维调整架上，其位置可以侧向移动；
所述激光器谐振系统设有激光增益介质Nd:YAG晶体5、调Q晶体6、镀在激光增益介质Nd:YAG晶体5表面的增透膜与高反膜4和镀在调Q晶体6表面的对1064nm波长的高反膜7；所述激光增益介质Nd:YAG晶体5、调Q晶体6、镀在激光增益介质Nd:YAG晶体5表面的增透膜与高反膜4和镀在调Q晶体6表面的对1064nm波长的高反膜7固定在同一夹具中，方便调节，便于实际应用，激光器谐振腔后表面位置固定在泵浦光的聚焦光斑处，可以获得高光学转换效率的激光输出。
所述调Q晶体可采用Cr4+:YAG晶体。
偏心高斯泵浦源包含808nm光纤耦合激光二极管、第一透镜和第二透镜组成。808nm光纤耦合激光二极管的数值孔径为0.22、光纤纤芯直径为400μm，第一透镜和第二透镜的焦距选取为8mm，两透镜之间间距为70mm。
808nm光纤耦合激光二极管和第二透镜位于同一光轴上，第一透镜固定在三维调整架上，其位置可以侧向移动，通过改变第一透镜的离轴量Δd，可以得到不同偏心程度的偏心高斯光束。根据以上参数，偏心高斯光束的倾斜角度与Δd的关系为：
激光器谐振系统由激光增益介质Nd:YAG晶体、调Q晶体Cr4+:YAG晶体和其两端镀的增透膜和高反膜共同构成，Nd:YAG晶体选用1.8mm厚、Nd3+离子掺杂浓度为1at.％的晶体，其后表面镀有808nm的增透膜，1064nm的高反膜。Cr4+:YAG晶体的初始透过率选取范围为80％～95％，其前表面镀有1064nm的高反膜，反射率范围控制在60％～99％。它们固定在同一夹具中，且激光器谐振腔后表面位置固定在泵浦光的聚焦光斑处，可以获得高光学转换效率的激光输出。
当Δd小于0.1mm时，偏心高斯泵浦光束的偏心程度较低，可以得到LG模式输出。
当Δd在0.1mm至0.4mm范围内，偏心高斯泵浦光束的偏心程度增大，IG模式在腔内输出，并且在此范围内，随着Δd的增大，IG模式的椭圆率也逐渐增大。
当Δd在大于0.4mm时，由于偏心高斯泵浦光束的偏心程度较高，此时激光器将输出HG模式。
可进一步通过调节入射泵浦功率，控制输出激光模式的复杂程度。
图2～6为不同偏心高斯光束泵浦条件下得到的高阶激光模式，随着偏心程度的增加，分别得到了LG模式、IG模式和HG模式。
本发明使用偏心高斯光束泵浦，操作灵活方便，通过调节第一透镜的离轴距离，可以得到不同偏心程度的偏心泵浦光，进而可以根据需要实现LG、IG和HG三种模式中的某一种模式输出，方法简单高效。本发明结构简单，没有使用过多的元器件，也没有插入相位调制器件，减少了能量的损失，只需调节泵浦光偏心程度就可以实现模式的转换，且激光的输出方向没有发生改变。激光器采用端面泵浦方式，光学转换效率高；采用微片结构，结构紧凑，有助于实现激光器的小型化和集成化，利于实际应用。

Claims (2)

1.一种激光横模模式可调控被动调Q微片激光器，其特征在于设有偏心高斯泵浦源和激光器谐振系统，所述偏心高斯泵浦源依次设有808nm光纤耦合激光二极管、第一透镜、第二透镜；808nm光纤耦合激光二极管和第二透镜位于同一光轴上，第一透镜固定在三维调整架上，其位置可侧向移动；
所述激光器谐振系统设有激光增益介质Nd:YAG晶体、调Q晶体、镀在激光增益介质Nd:YAG晶体表面的增透膜与高反膜和镀在调Q晶体表面的对1064nm波长的高反膜；所述激光增益介质Nd:YAG晶体、调Q晶体、镀在激光增益介质Nd:YAG晶体表面的增透膜与高反膜和镀在调Q晶体表面的对1064nm波长的高反膜固定在同一夹具中。
2.如权利要求1所述一种激光横模模式可调控被动调Q微片激光器，其特征在于所述调Q晶体采用Cr4+:YAG晶体。
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