CN106785850A

CN106785850A - 一种输出径向偏振和角向偏振光束的固体激光器

Info

Publication number: CN106785850A
Application number: CN201611236760.8A
Authority: CN
Inventors: 董俊; 何宏森
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2016-12-28
Filing date: 2016-12-28
Publication date: 2017-05-31

Abstract

一种输出径向偏振和角向偏振光束的固体激光器，涉及固体激光器。设有泵浦源、光学耦合系统和稀土掺杂的钇铝石榴石晶体；所述泵浦源、光学耦合系统和稀土掺杂的钇铝石榴石晶体从前至后依次排列并位于同一光轴上，所述稀土掺杂的钇铝石榴石晶体的后表面镀增透膜及高反膜作为激光腔的后腔镜，稀土掺杂的钇铝石榴石晶体的前表面镀反射膜作为激光腔的前腔镜。一个激光器可以同时产生径向和角向偏振的激光，通过调节泵浦功率即可变换输出激光的偏振状态，操控简单；激光腔内不需要加入额外的光学元件，腔内损耗小，光损伤阈值高；激光增益介质工作在室温，不加任何冷却装置，结构更简单紧凑、成本更低。

Description

一种输出径向偏振和角向偏振光束的固体激光器

技术领域

本发明涉及固体激光器，尤其是涉及为一种输出径向偏振和角向偏振光束的固体激光器。

背景技术

偏振是光的重要属性之一，矢量光场与物质的相互作用可以实现许多光学设备的研制和光学系统的设计。过去主要研究空间均匀的偏振态，例如线偏振、圆偏振与椭圆偏振等，这些偏振态与光束横截面的空间位置无关。近年来，空间不均匀偏振光束的传播与聚焦性质获得了极大的关注，这种空间非均匀偏振光的特例就是光束的偏振具有圆柱对称性，称之为圆柱矢量光束。圆柱矢量光束在振幅和偏振上都具有圆柱对称性，径向偏振和角向偏振的光束是特殊的圆柱矢量光束，它们的偏振方向分别沿光束横截面的径向和角向分布。径向和角向偏振的光束被广泛应用于显示成像[1,2]、信息存储[3]、物质检测[4]、材料加工[5,6]、天文学与生物学[7,8]等领域。目前，可以产生径向偏振或者角向偏振光束的方法可以分为两类：被动方法和主动方法。被动方法是在激光器腔外对光束进行空间调制，例如可以用空间可变延迟板[9]或者全息片[10]。主动方法是在激光腔内直接产生矢量光束。多数情况下，主动方法比被动方法需要的光学元件更少，设备的调制也更为便捷。

大部分的主动方法都需要在激光腔内插入额外的光学元件来控制用于产生径向或者角向偏振的寻常光和非常光的输出，例如在腔内插入亚波长光栅反射镜[11]、锥形布儒斯特角棱镜[12]、凸透镜[13]或者小孔光阑[14]。但是这些插入的元件增大了激光器的腔内损耗，降低了激光器的损伤阈值，增加了激光器的成本。而且为了插入这些元件，导致激光器拥有较长的谐振腔，不利于紧凑型激光器的制造和应用。另一方面，大部分的主动方法只能产生单一的径向偏振光束[11,12,14-17]或者角向偏振光束[13]。尽管采用一些方法可以在激光器中同时产生径向偏振和角向偏振光束，但目前这些方法存在着一些明显的不足，使得激光器的操作和使用非常复杂。比如，两种偏振的转变需要倾斜增益介质，而且这种倾斜的方式是随机的，无法被定义[18]；激光腔内需要放入锥透镜，偏振的转换需要调节腔长[19]；激光腔内需要放入小孔光阑，偏振的转换需要调节光阑大小，而小孔光阑的大小对激光输出的功率，效率，发散角和偏振纯度都有不利的影响[20,21]。目前还没有一种方法可以直接在一个紧凑型激光器内产生可控自维持的径向偏振光束和角向偏振光束。

参考文献：

[1]Chen W and Zhan Q 2009 Realization of an evanescent Bessel beamvia surface plasmon interference excited by a radially polarized beamOpt.Lett.34 722-4。

[2]Fleischer M,Weber-Bargioni A,Altoe M V P,Schwartzberg A M,Schuck PJ,Cabrini S and Kern D P 2011Gold Nanocone Near-Field Scanning OpticalMicroscopy Probes ACS Nano 5 2570-9。

[3]Gu M,Li X and Cao Y 2014 Optical storage arrays:a perspective forfuture big data storage Light-Sci.Appl.3 e177。

[4]Hayazawa N,Saito Y and Kawata S 2004 Detection andcharacterization of longitudinal field for tip-enhanced Raman spectroscopyAppl.Phys.Lett.85 6239-41。

[5]Meier M,Romano V and Feurer T 2007 Material processing with pulsedradially and azimuthally polarized laser radiation Appl.Phys.A-Mater.Sci.Process.86 329-34。

[6]Krishnan V and Bo T 2006 Interconnect microvia drilling with aradially polarized laser beam J.Micromech.Microeng.16 2603。

[7]Wang H,Shi L,Lukyanchuk B,Sheppard C and Chong C T 2008 Creationof a needle of longitudinally polarized light in vacuum using binary opticsNat.Photonics 2 501-5。

[8]Kawauchi H,Yonezawa K,Kozawa Y and Sato S 2007 Calculation ofoptical trapping forces on a dielectric sphere in the ray optics regimeproduced by a radially polarized laser beam Opt.Lett.32 1839-41。

[9]Machavariani G,Lumer Y,Moshe I,Meir A and Jackel S 2007 Efficientextracavity generation of radially and azimuthally polarized beamsOpt.Lett.32 1468-70。

[10]Fu S,Gao C,Wang T,Zhang S and Zhai Y 2016 Simultaneous generationof multiple perfect polarization vortices with selective spatial states invarious diffraction orders Opt.Lett.41 5454-7。

[11]Li J L,Ueda K I,Musha M,Zhong L X and Shirakawa A 2008 Radiallypolarized and pulsed output from passively Q-switched Nd:YAG ceramicmicrochip laser Opt.Lett.33 2686-8。

[12]Kozawa Y and Sato S 2005 Generation of a radially polarized laserbeam by use of a conical Brewster prism Opt.Lett.30 3063-5。

[13]Tsai S Y,Chiu C P,Chang K C and Wei M D 2016 Periodic and chaoticdynamics in a passively Q-switched Nd:GdVO₄laser with azimuthal polarizationOpt.Lett.41 1054-7。

[14]Enderli F and Feurer T 2009 Radially polarized mode-locked Nd:YAGlaser Opt.Lett.34 2030-2。

[15]Fang Z,Xia K,Yao Y and Li J 2014 Radially polarized LG₀₁-mode Nd:YAG laser with annular pumping Appl.Phys.B-Lasers Opt.117 219-24。

[16]Wei M D,Lai Y S and Chang K C 2013 Generation of a radiallypolarized laser beam in a single microchip Nd:YVO₄laser Opt.Lett.38 2443-5。

[17]Kim J W,Mackenzie J I,Hayes J R and Clarkson W A 2011 High powerEr:YAG laser with radially-polarized Laguerre-Gaussian(LG₀₁)mode outputOpt.Express 19 14526-31。

[18]Fang Z,Xia K,Yao Y and Li J 2015 Radially polarized and passivelyQ-switched Nd:YAG laser under annular-shaped pumping IEEE J.Sel.Top.QuantumElectron.21 337-42。

[19]Chang K C,Lin T and Wei M D 2013 Generation of azimuthally andradially polarized off-axis beams with an intracavity large-apex-angle axiconOpt.Express 21 16035-42。

[20]Machavariani G,Lumer Y,Moshe I,Meir A,Jackel S and Davidson N2007 Birefringence-induced bifocusing for selection of radially orazimuthally polarized laser modes Appl.Optics 46 3304-10。

[21]Moshe I,Jackel S and Meir A 2003 Production of radially orazimuthally polarized beams in solid-state lasers and the elimination ofthermally induced birefringence effects Opt.Lett.28 807-9。

[22]董俊，何宏森，“一种直接产生环形空心聚焦光束的透镜”，中国，专利申请号：201611113338.3，申请日：2016.12.07。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以直接产生径向偏振和角向偏振光束的紧凑型固体激光器。

本发明设有泵浦源、光学耦合系统和稀土掺杂的钇铝石榴石晶体；所述光学耦合系统用于产生空心聚焦光束，稀土掺杂的钇铝石榴石晶体作为激光增益介质；所述泵浦源、光学耦合系统和稀土掺杂的钇铝石榴石晶体从前至后依次排列并位于同一光轴上，所述稀土掺杂的钇铝石榴石晶体的后表面镀增透膜及高反膜作为激光腔的后腔镜，稀土掺杂的钇铝石榴石晶体的前表面镀反射膜作为激光腔的前腔镜。

当所述掺杂为钕(Nd)离子时，所述泵浦源可采用808nm光纤耦合的激光二极管，所述增透膜可采用808nm增透膜，所述高反膜可采用1064nm高反膜，所述反射膜可采用1064nm部分反射膜。当所述掺杂为镱(Yb)离子时，所述泵浦源可采用940nm光纤耦合的激光二极管，所述增透膜可为940nm增透膜，所述高反膜可采用1030nm高反膜，所述反射膜可采用1030nm部分反射膜。

光纤耦合的激光二极管输出的激光经过光学耦合系统进行准直聚焦。在光学耦合系统中利用环形聚焦透镜[22]产生空心聚焦光束。空心聚焦光束的焦点处于晶体后表面，利用端面泵浦的方式泵浦激光增益介质。出射激光的偏振状态随着泵浦功率的增加而改变：在泵浦功率较低时产生稳定的径向偏振激光束，在泵浦功率较高时产生稳定的角向偏振激光束。

本发明利用环形空心聚焦光束作为激光泵浦源，稀土掺杂的钇铝石榴石晶体(YAG)作为激光增益介质，晶体两侧的镀膜作为激光谐振腔。激光束的偏振状态随着泵浦功率的增加而改变：在泵浦功率较低时产生稳定的径向偏振激光束，在泵浦功率较高时产生稳定的角向偏振激光束。这种在室温下运行的紧凑型激光器不仅为径向偏振和角向偏振光束在小型化和一体化的运用上奠定了基础，而且减少了光学元件的数量，大幅度降低了径向偏振和角向偏振光束的实际应用成本，有效地简化了系统安装和调试的难度，以适用于一般场合。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、一个激光器可以同时产生径向和角向偏振的激光，通过调节泵浦功率即可变换输出激光的偏振状态，操控简单；

2、激光腔内不需要加入额外的光学元件，结构原理简单，成本低，腔内损耗小，光损伤阈值高；

3、激光增益介质工作在室温条件下，没有加任何冷却装置，从而使激光器结构更简单紧凑、成本也更低。

附图说明

图1为本发明实施例的结构组成示意图；

图2为经检测的径向偏振和角向偏振的激光横向光强分布；

图3为输出激光功率和光-光转换效率随入射泵浦功率的变化趋势；

图4为输出激光的偏振度和光束质量因子随入射泵浦功率的变化趋势。

具体实施方式

图1为本发明的较佳实施例的总体框图(前视剖面)，可以产生径向偏振和角向偏振的固体激光器，包括泵浦源1、耦合光纤2、准直透镜3、环形聚焦透镜4、环形空心聚焦光束5、作为激光增益介质的掺钕离子的钇铝石榴石晶体(Nd:YAG)6、晶体的后表面镀膜7、晶体的前表面镀膜8和输出的矢量偏振激光9。其中，泵浦源1为808nm光纤耦合激光二极管，耦合光纤2的数值孔径为0.22，纤芯直径为400μm；准直透镜3对激光二极管输出的光束进行准直；环形聚焦透镜4可以对高斯基模光束进行整形，得到聚焦的环形空心光束5，用于泵浦激光增益介质；掺钕离子的钇铝石榴石晶体6的厚度为1mm,钕离子的掺杂浓度为1at.％；晶体的后表面镀膜7为808nm的增透膜和1064nm的高反膜；晶体的前表面镀膜8为反射率对于1064nm为90％的部分反射膜；晶体的前后表面镀膜构成激光谐振腔；输出激光9的波长为1064nm。激光器在室温下运行，不需要任何主动冷却设备。

在以上所述泵浦光条件下，激光器的阈值泵浦光功率是0.7W。当入射泵浦功率大于0.7W且小于5.5W时，输出激光保持径向偏振状态；当入射泵浦功率大于5.5W时，输出激光保持角向偏振状态。输出激光的偏振状态由径向偏振变为角向偏振发生在入射泵浦功率为5.5W时。入射泵浦功率为5W和6W时的激光偏振状态，如图2所示。图2(a)是入射泵浦功率为5W时的激光横向光强分布图和相应的偏振状态检测图，图2(b)是入射泵浦功率为6W时的激光横向光强分布图和相应的偏振状态检测图。图中N表示未放偏振器时的激光横向光强分布，箭头表示放置偏振器时偏振器的偏振方向。由图2可以看出，当入射泵浦功率为5W时，经过偏振器后的激光横向光强分布平行于偏振器的偏振方向，表明此时输出的激光为径向偏振；当入射泵浦功率为6W时，经过偏振器后的激光横向光强分布垂直于偏振器的偏振方向，表明此时输出的激光为角向偏振。

图3是输出激光的功率和光-光转换效率随入射泵浦功率的变化趋势。激光起振的阈值为0.7W。当入射泵浦功率小于6.5W时，输出激光功率随入射泵浦功率线性增加，随着进一步增加入射泵浦功率，输出激光功率增长缓慢。当入射泵浦功率大于9.5W时，输出激光功率呈现饱和趋势。当入射泵浦功率小于6.5W时，输出激光的斜效率为16.8％。当入射泵浦功率小于10W时，得到1.16W的最大输出功率。当入射泵浦功率小于5.5W时，光-光转化效率随入射泵浦功率升高；当入射泵浦功率大于5.5W时，光-光转化效率随入射泵浦功率降低。

图4是输出激光的偏振度和光束质量因子随入射泵浦功率的变化趋势。随着入射泵浦功率的增加，输出激光的偏振度维持在91％左右保持稳定，这表明输出激光拥有出色的偏振纯度和稳定性。当入射泵浦功率小于5.5W时，输出激光的光束质量因子从1.2迅速增加到2.3；当入射泵浦功率大于5.5W时，输出激光的光束质量因子从2.3缓慢增加到2.6。在聚焦环形光泵浦的Nd:YAG微片激光器中获得了高光束质量的激光输出，不论是径向偏振激光还是角向偏振激光都拥有高的接近光学衍射极限的光束质量。

Claims

1.一种输出径向偏振和角向偏振光束的固体激光器，其特征在于设有泵浦源、光学耦合系统和稀土掺杂的钇铝石榴石晶体；所述光学耦合系统用于产生空心聚焦光束，稀土掺杂的钇铝石榴石晶体作为激光增益介质；所述泵浦源、光学耦合系统和稀土掺杂的钇铝石榴石晶体从前至后依次排列并位于同一光轴上，所述稀土掺杂的钇铝石榴石晶体的后表面镀增透膜及高反膜作为激光腔的后腔镜，稀土掺杂的钇铝石榴石晶体的前表面镀反射膜作为激光腔的前腔镜。

2.如权利要求1所述一种输出径向偏振和角向偏振光束的固体激光器，其特征在于当所述掺杂为钕离子时，所述泵浦源采用808nm光纤耦合的激光二极管，所述增透膜采用808nm增透膜，所述高反膜采用1064nm高反膜，所述反射膜采用1064nm部分反射膜。

3.如权利要求1所述一种输出径向偏振和角向偏振光束的固体激光器，其特征在于当所述掺杂为镱离子时，所述泵浦源采用940nm光纤耦合的激光二极管，所述增透膜为940nm增透膜，所述高反膜采用1030nm高反膜，所述反射膜采用1030nm部分反射膜。