CN107681426B - 一种偏振连续可调的柱对称矢量光固体激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种偏振连续可调的柱对称矢量光固体激光器，该激光器包括激光二极管、光纤耦合单元、镀膜腔镜、增益介质、偏振元件、涡旋半波片和针孔，镀膜腔镜包括镀膜前腔镜、镀膜聚焦透镜和镀膜后腔镜，三者形成谐振腔，腔内使用偏振分束器、1/2波片、涡旋半波片来控制空间中不同位置处的偏振态取向，并输出不同偏振态分布的柱对称矢量光束。本发明腔内损耗更小，主动方式的灵活性更高，输出的柱对称矢量光束质量更高。

Description

一种偏振连续可调的柱对称矢量光固体激光器
技术领域
本发明涉及连续光固体激光器，尤其涉及一种偏振连续可调的柱对称矢量光固体激光器。
背景技术
偏振是光的重要性质之一，它的矢量性质以及它与物质的相互作用使得一些光学器件与光学系统的设计成为可能。偏振光的传播和与物质的相互作用已经被广泛的应用在光学检测、光学测量、显示技术、数据存储、光通讯、材料科学、天文学、生物研究等领域。然而，这些应用所利用光的偏振态在空间中是均一分布的，如线偏振态、椭圆偏振态、圆偏振态等。所有这些偏振态都独立于光束横截面上的位置坐标。近年来，空间矢量光束，即偏振态分布依赖于空间位置的光束，引起了人们极大的兴致。有目的地控制光的偏振态在空间中的分布可以产生新的效应和现象，从而扩展和增强光学系统的功能。其中比较特殊的空间矢量光束是偏振态呈现圆柱形对称，即柱对称矢量光束 (Cylindrical vector beam),简称CV光束。它们被广泛地应用到光学微加工、光学捕获、光学微操控、超衍射极限聚焦、二次谐波成像、表面等离激元的产生等领域【1】。
CV光束的特殊性质和应用前景促使很多研究人员对它的产生方式进行了深入的研究。CV光束的产生可以大致分为两类：被动方式和主动方式。被动方式中最常用的是用涡旋半波片，制成半波片双折射材料的快轴绕着某一个中心旋转取向，取向角α与方位角成线性关系，即其中，指初始取向角，为常数,由入射的线偏光相对于涡旋半波片的偏振取向决定；l为拓扑荷数，一般取整数。当一束线偏振的高斯光通过一个涡旋半波片后，偏振方向将随空间旋转变化，呈现柱对称分布，变化周期正比于 l的取值【2】。当l＝1,时，可以产生径向光，当l＝1,时,可以产生角向光，这两种光束是最常见的矢量光束。除了用涡旋半波片以外，还可以通过两个携带有相反光学轨道角动量且偏振态相反的圆偏光相互干涉合成CV光束【3】。
被动方式可以方便地调控CV光束的偏振取向，但是转换后产生的径向模式使得光束衍射倍率因子(简记为：M2)变差，且转换效率不高。主动方式可以克服被动方式的缺点，它主要是通过激光器谐振腔的设计，直接输出矢量光场激光，从而获得高光束质量和高转换效率的CV光束。这些方式包括：(1)在腔内添加轴向双折射晶体或者二向色性结构，利用它们对不同偏振的损耗不同，产生CV光束。这种器件包括方解石和锥形镜，但是这种方法一般只能产生l＝1的CV光束【4,5】；(2)采用特殊工艺，将耦合输出镜加工成具有衍射或者偏振选择特性来产生CV光束，这种方式使得激光器更加集成，但设计加工难度大【6】；(3)采用腔内干涉的方式，将两个偏振方向相互垂直的线偏厄米高斯光相互叠加，产生CV光束，但是这种方法只能产生l＝1的CV光束【7】。以上这些主动方式，都需要抑制腔内高斯模式的震荡，如采用环形光强分布的泵浦光，在腔内添加圆形吸收元件等，再加上腔内需要满足模式匹配，使得主动方式欠缺灵活性。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术中问题，提供一种偏振连续可调的柱对称矢量光固体激光器，利用腔内模式转换，输出高光束质量的柱对称矢量光束，既不需要抑制腔内高斯模式的震荡，又不需要对泵浦光进行整形；CV光束的偏振分布可以由偏振元件决定，角向指数可以由涡旋半波片控制；可以减小腔内损耗并提高主动方式的灵活性。
技术方案：本发明所述的偏振连续可调的柱对称矢量光固体激光器，包括激光二极管、光纤耦合单元、镀膜腔镜、增益介质、偏振元件、涡旋半波片和针孔，其中：
激光二极管，作为泵浦光源发出连续的808nm激光；
光纤耦合单元，用于将激光二极管产生的808nm激光缩束并聚焦到增益介质上；
镀膜腔镜，包括镀膜前腔镜、镀膜聚焦透镜和镀膜后腔镜，三者形成谐振腔，镀膜前腔镜镀在增益介质前端面，镀膜聚焦透镜位于偏振元件和涡旋半波片之间，镀膜后腔镜位于激光器最后；
增益介质，用于吸收808nm激光光子并实现粒子数反转，再通过跃迁产生1064nm激光光子，在谐振腔的作用下形成1064nm激光光束；
偏振元件，包括沿光传播方向放置的偏振分束器和1/2波片，偏振元件用于调整谐振腔内1064nm激光光束入射到涡旋半波片上的线偏振态取向，以改变输出柱对称矢量光束同一空间位置处的偏振态取向；
涡旋半波片，用于控制空间中的偏振态分布，初步产生柱对称矢量光束；
针孔，用于腔内空间选模，确保输出的柱对称矢量光束具有拉盖尔高斯光束的强度分布。
进一步的，所述镀膜前腔镜、镀膜聚焦透镜和镀膜后腔镜均镀有多层膜，所述镀膜前腔镜为平面镜，镀808nm增透且1064nm高反膜；所述镀膜后腔镜为平面镜，镀1064nm 反射膜；所述镀膜聚焦透镜为凸透镜，镀1064nm抗反膜。
进一步的，所述镀膜前腔镜与聚焦透镜的距离为LA，聚焦透镜与镀膜后腔镜的距离为LB，且满足以下条件：
f表示镀膜聚焦透镜的焦距。
进一步的，所述增益介质置于808nm激光光束的束腰位置，为Nd:YVO4晶体，并采用端泵方式。
进一步的，还包括散热装置，所述散热装置具体为水冷散热装置，散热元件为铜块，铜块下方有水冷通道连接冷水机的出水口与入水口，其表面设有凹槽以放置增益介质。
进一步的，所述涡旋半波片用于将高斯光转换为角向指数l＝1或l＝2柱对称矢量光束。
进一步的，所述光纤耦合单元包含有光束耦合放大系统，用于缩小808nm激光光束束腰，泵浦功率为0.3-3.5W。
进一步的，所述镀膜聚焦透镜的焦距为200mm。
进一步的，所述针孔的直径为1mm左右，可以抑制径向指数p>0模式的振荡。
有益效果：本发明提供了输出低阈值、高斜率效率、接近理想的M2、偏振连续可调的柱对称矢量光固体激光器：
1)本发明激光腔内的偏振元件和涡旋半波片的组合既实现了偏振可逆的谐振条件，又实现了偏振连续可调。同时，以上各元件的损耗非常小，使得输出柱对称矢量光束的激光腔的阈值低(l＝1为0.68W)，接近同一结构的腔输出高斯光的起振阈值(0.60W)。它们的斜效率分别为：高斯光，18.0％；l＝1，15.5％；l＝2，5.4％。
2)本发明腔参数如LA、LB、透镜焦距、针孔直径等的选择，使得腔满足稳定性条件且输出柱对称矢量光束。数据拟合的结果表明输出矢量光具有对应LG模式的强度分布。
3)本发明的M2分别为2.1(l＝1)和3.3(l＝2),而对应的LG模式的M2为2(l＝ 1)和3(l＝2)。说明光束的发散角小，传播特性好。
附图说明
图1为本发明提供的固体激光器的光路结构示意图；
图2中(a)(f)为输出的l＝1和l＝2柱对称矢量光强度图；(b)到(e)为输出的 l＝1柱对称矢量光的水平偏振部分的强度图，对应的初始角分别为0°、45°、90°和135°，(g)到(j)为输出的l＝2柱对称矢量光的水平偏振部分的强度图，对应的初始角分别为0°、22.5°、45°和67.5°；
图3为采用本发明装置输出的高斯光(l＝0)、l＝1和l＝2柱对称矢量光的泵浦曲线的实验结果图；
图4中(a)(b)分别为实验测量得到的柱对称矢量光与理想的LG光束经过光斑中心的一维强度对比图；
图5中(a)(b)分别为光束轮廓仪测量输出l＝1和l＝2柱对称矢量光束M2。
具体实施方式
图1为本发明提供的偏振连续可调的柱对称矢量光固体激光器的光路结构示意图，该激光器为固体激光器，如图1所示，包括808nm激光二极管1、光纤耦合单元2、镀膜腔镜3、增益介质4、偏振元件6、涡旋半波片(l＝1、l＝2)7和针孔8。其中，光纤耦合单元2中包含有光束耦合放大系统，用于缩小808nm激光光束束腰，泵浦功率为 0.3-3.5W。镀膜腔镜3包括镀膜前腔镜31、镀膜聚焦透镜32和镀膜后腔镜33，三者形成谐振腔，镀膜前腔镜31镀在增益介质4前端面，镀膜聚焦透镜32位于偏振元件6和涡旋半波片7之间，镀膜后腔镜33位于激光器最后。镀膜前腔镜31、镀膜聚焦透镜32 和镀膜后腔镜33均镀有多层膜，镀膜前腔镜31为平面镜，镀808nm增透且1064nm高反膜；镀膜后腔镜33为平面镜，镀1064nm反射膜，镀膜聚焦透镜32为凸透镜，镀1064nm 抗反膜。镀膜聚焦透镜32的焦距为200mm。偏振元件6包括沿光传播方向依次设置的偏振分束器61和1/2波片62。增益介质4为3mm×3mm×8mm的Nd:YVO4，并采用端泵方式；增益介质4放置在散热装置5上，通过调整Nd:YVO4晶体取向使受激辐射的 1064nm光沿水平方向偏振。散热装置5具体为水冷散热装置，散热元件为铜块，铜块下方有水冷通道连接冷水机的出水口与入水口，其表面设有凹槽以放置增益介质。涡旋半波片7用于控制垂直激光光束截面的偏振态分布，将高斯光转换为角向指数l＝1或l ＝2的柱对称矢量光束。针孔8直径为1mm左右，用于抑制径向指数p>0模式的振荡，进行腔内空间选模，确保输出的柱对称矢量光束具有拉盖尔高斯光束的强度分布。
设计激光器时，除了选择合适的腔内元件保证谐振腔满足可逆条件外，还需要选择恰当的腔参数LA、LB、透镜焦距f、针孔直径D等，使激光腔起到选模作用，得到高纯度的柱对称矢量光束。
所选激光腔由平镜、透镜、平镜构成，需要满足腔稳定谐振的条件：
即要求LA<f及LB<f，考虑到偏振分束器61和增益介质4等腔内元件的折射率大于1，LA和LB可以略大于f。
图2(a)和(f)为光束轮廓仪记录的l＝1和l＝2柱对称矢量光强度图，在光束轮廓仪前放置偏振分束器，得到它们水平偏振部分的强度图为(b)和(g),说明旋转1/2半波片，改变入射到涡旋半波片上线偏振光偏振方向，从而改变出射的柱对称矢量光的偏振取向。(c)到(e)对应的分别为45°，90°和135°的l＝1柱对称矢量光水平偏振部分强度图。(g)到(j)对应的分别为22.5°，45°和67.5°的l＝2 柱对称矢量光水平偏振部分强度图。理论分析如下：对于任何一个涡旋半波片，其快轴的取向与入射线偏光的之间的夹角可以表示为:
其中，指初始取向角，为常数；l为拓扑荷数，取整数保证输出矢量光呈现柱对称分布。它的琼斯矩阵可以表示为:
假设入射光为线偏光则从涡旋半波片出射的光为：
可得出射光空间偏振态分布为：
可见偏振态的空间分布与方位角成线性关系。
图3为功率计测量得到的泵浦输出曲线。在不加入涡旋半波片的情况下，直接输出线偏振的高斯光(l＝0)。计算得到斜效率为18％，起振阈值为0.60W。加入l＝1的涡旋半波片后输出l＝1的柱对称矢量光束，相应的斜效率15.5％，起振阈值为0.68W。可见，加入l＝1的涡旋半波片后腔的损耗很小。更换l＝2的涡旋半波片输出l＝2柱对称矢量光，损耗比较大，得到的相应的斜效率为5.5％，起振阈值1.04W，但仍然与l＝1 的情况处在同一量级。通过上述分析，激光器输出的柱对称矢量光束具有低阈值，高斜率效率的特点。
图4为实验测量得到的柱对称矢量光与对应理想LG光束一维强度对比图。经过图2(a)和(f)光斑中心且沿y方向取一列数据，分别绘制在图4(a)和(b)中。再分别用相应角向指数为l＝1和l＝2、径向指数为p＝0的LG光束强度分布对其进行拟合。结果表明，输出的柱对称矢量光束具有对应LG光束的强度分布。为了进一步分析光束的传播特性，需测量它们M2。
图5为光束轮廓仪测量输出l＝1和l＝2柱对称矢量光的M2。M2的定义为：
其中，ω测量为实验测得的束腰半径，θ测量为实验测得的远场发散角。λ为激光的波长。用透镜对输出矢量光束进行变换，然后用光束轮廓仪测量经过变换后光束半径随传播距离的变化。通过拟合测量，得到l＝1柱对称矢量光束的束腰大小为0.31mm，远场发散角为0.0047弧度，计算得到的M2为2.1；l＝2柱对称矢量光束的束腰大小为 0.35mm，远场发散角为0.0064弧度，计算得到的M2为3.31。而LG光束的M2为l+2p+1，对应的LG光束的理想结果分别2(l＝1)和3(l＝2)。说明该装置输出的柱对称矢量光束模式质量好，传播发散度小。
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Claims (9)

1.一种偏振连续可调的柱对称矢量光固体激光器，其特征在于：包括激光二极管、光纤耦合单元、镀膜腔镜、增益介质、偏振元件、涡旋半波片和针孔，其中：
激光二极管，作为泵浦光源发出连续的808nm激光；
光纤耦合单元，用于将激光二极管产生的808nm激光缩束并聚焦到增益介质上；
镀膜腔镜，包括镀膜前腔镜、镀膜聚焦透镜和镀膜后腔镜，三者形成谐振腔，镀膜前腔镜设置在增益介质前端面，镀膜聚焦透镜位于偏振元件和涡旋半波片之间，镀膜后腔镜位于激光器最后；
增益介质，用于吸收808nm激光光子并实现粒子数反转，再通过跃迁产生1064nm激光光子，在谐振腔的作用下形成1064nm激光光束；
偏振元件，包括沿光传播方向放置的偏振分束器和1/2波片，偏振元件用于调整谐振腔内1064nm激光光束入射到涡旋半波片上的线偏振态取向，以改变输出的柱对称矢量光束在固定空间位置处的偏振态取向；
涡旋半波片，用于控制空间中的偏振态分布，初步产生柱对称矢量光束；
针孔，用于腔内空间选模，确保输出的柱对称矢量光束具有拉盖尔高斯光束的强度分布。
2.根据权利要求1所述的偏振连续可调的柱对称矢量光固体激光器，其特征在于：所述镀膜前腔镜、镀膜聚焦透镜和镀膜后腔镜均镀有多层膜，所述镀膜前腔镜为平面镜，镀808nm增透且1064nm高反膜；所述镀膜后腔镜为平面镜，镀1064nm反射膜，所述镀膜聚焦透镜为凸透镜，镀1064nm抗反膜。
3.根据权利要求2所述的偏振连续可调的柱对称矢量光固体激光器，其特征在于：所述镀膜前腔镜与聚焦透镜的距离为LA，聚焦透镜与镀膜后腔镜的距离为LB，且满足以下条件：
f表示镀膜聚焦透镜的焦距。
4.根据权利要求1所述的偏振连续可调的柱对称矢量光固体激光器，其特征在于：所述增益介质置于808nm激光光束的束腰位置，为Nd:YVO4晶体，并采用端泵方式。
5.根据权利要求1所述的偏振连续可调的柱对称矢量光固体激光器，其特征在于：还包括散热装置，所述散热装置具体为水冷散热装置，散热元件为铜块，铜块下方有水冷通道连接冷水机的出水口与入水口，其表面设有凹槽以放置增益介质。
6.根据权利要求1所述的偏振连续可调的柱对称矢量光固体激光器，其特征在于：所述涡旋半波片用于将高斯光转换为角向指数l＝1或l＝2柱对称矢量光束。
7.根据权利要求1所述的偏振连续可调的柱对称矢量光固体激光器，其特征在于：所述光纤耦合单元包含有光束耦合放大系统，用于缩小808nm激光光束束腰，泵浦功率为0.3-3.5W。
8.根据权利要求3所述的偏振连续可调的柱对称矢量光固体激光器，其特征在于：所述镀膜聚焦透镜焦距f＝200mm，满足谐振腔的稳定性条件。
9.根据权利要求1所述的偏振连续可调的柱对称矢量光固体激光器，其特征在于：所述针孔的直径为1mm，用于抑制径向指数p>0模式的振荡。
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