CN109031674A - 腔内直接产生多涡旋光束的方法 - Google Patents

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Abstract

一种腔内直接产生多涡旋光束的方法，该方法的核心是在激光器端镜表面刻蚀出圆形微孔以及不同大小的同心圆环，将其调节至光束中心，形成圆形以及环形的空间损耗调制，从而在激光腔内形成多个环形的净增益区，使得不同阶数的涡旋光束振荡并输出，从而在激光腔内直接产生多涡旋光束，每个涡旋光束具有纯度高，传输稳定的特点。该涡旋产生方法在空分复用光学通信方面具有重要应用前景。

Description

腔内直接产生多涡旋光束的方法
技术领域
本发明属于激光技术领域，特别是一种腔内直接产生多涡旋光束的方法。
背景技术
涡旋光束具有螺旋形的波前，围绕中心一周其波前相位改变2π的1倍，光束中每个光子携带的轨道角动量，其中1为整数，称为涡旋光束的拓扑荷数(阶数)。中心相位的不确定性，导致其中心存在位相奇点，光强分布呈环形。上述特征使得涡旋光束在光学通信、光学微操控、超分辨率成像等方面具有广泛的应用。
LG01模式的拉盖尔高斯光束(涡旋光束，1为非零整数，称为涡旋光束的阶数)是柱对称激光腔的本征解，因此可以从激光腔中直接产生拉盖尔高斯涡旋光束。与在腔外利用螺旋相位板以及空间光调制器产生的涡旋光束相比，从激光腔内直接产生的涡旋光束具有纯度高、传输稳定的特点，更利于其在光学通信等方面的应用。目前腔内直接产生涡旋光束的方法主要有环形光束泵浦法以及空间损耗调制法，但这些方法只能产生单一阶数的涡旋光束，对于在光学通信的应用，其携载信息量十分有限，而多涡旋光束通过空分复用可以大大增加光学通信的信息携载量。
发明内容
本发明提供一种腔内直接产生多涡旋光束的方法，通过在激光端镜表面刻蚀出圆形微孔以及不同大小的同心圆环，并将其置于光束中心，使得多个涡旋光束直接从腔内振荡并输出。该涡旋产生方法在空分复用光学通信方面具有重要应用前景。
本发明的技术解决方案如下：
一种腔内直接产生多涡旋光束的方法，其特点在于，该方法包括如下步骤：
1)搭建一个激光器，该激光器包括泵浦源，沿该泵浦源的泵浦光输出方向依次是第一凸透镜、第二凸透镜、凹面镜、增益晶体和输出耦合镜，从泵浦源出射的泵浦光经过第一凸透镜和第二凸透镜进入所述的增益晶体；所述的凹面镜与输出耦合镜组成谐振腔，所述的输出耦合镜表面刻蚀有一个圆形微孔和围绕该圆形微孔的多个不同直径的圆环，所述的圆形微孔和各个圆环的圆心重合形成同心结构，调节激光器使其输出激光；
2)在激光输出方向设置CCD照相机，监测输出激光的光斑图样，调节增益晶体或第二凸透镜的位置，使泵浦光入射进增益晶体中，调节激光器使其输出较大的圆形光斑，调节所述的输出耦合镜的横向位置，使所述的输出耦合镜表面的同心结构向激光光束中心移动，直到所述的CCD照相机中显示出多个环形的光斑图样，则激光器输出了多个LG01模式的涡旋光束，其中1为非零整数，称为涡旋光束的阶数；
3)利用光阑分别选择不同涡旋光束通过，在光阑后设置柱透镜模式转换器，所述的柱透镜模式转换器依次由圆透镜、第一柱透镜和第二柱透镜组成，两个柱透镜完全相同，第一柱透镜和第二柱透镜之间的距离为f为柱透镜的焦距，进行模式转换时，利用圆透镜将涡旋光束聚焦到两柱透镜之间的中心位置，将CCD照相机置于所述的柱透镜模式转换器的输出方向，在CCD照相机上显示出厄米高斯光束的光斑图样，将LG01模式的涡旋光束转换为HG01模式的厄米高斯光束，以判断各个涡旋光束的阶数。
所述的输出耦合镜表面刻蚀的圆孔的面积以及各圆环外径构成的面积分别与不同阶数环形涡旋光束的空心区域面积相当；中心圆孔与第一环之间的距离以及其它相邻圆环之间的距离分别与不同阶数环形涡旋光束环的宽度相当。
所述的涡旋光束阶数的判断方法是将转换得到的厄米高斯光束光斑图样的光瓣数减1即为相应的LG01模式的涡旋光束的阶数。
本发明的原理及技术效果如下：
本发明的核心是在激光器端镜表面刻蚀出圆形微孔以及不同大小的同心圆环，将其调节至光束中心，形成圆形以及环形的空间损耗调制，从而在激光腔内形成多个环形的净增益区，使得不同阶数的涡旋光束振荡并输出，从而在激光腔内直接产生多涡旋光束，每个涡旋光束具有纯度高，传输稳定的特点。该涡旋产生方法在空分复用光学通信方面具有重要应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例腔内直接产生多涡旋光束的激光器结构示意图。其中：1.泵浦源；2.第一凸透镜；3.第二凸透镜；4.凹面镜；5.增益晶体；6.输出耦合镜；7.输出的多涡旋光束的光斑图样；8.输出耦合镜表面的圆孔与不同大小同心圆环示意图。
图2是本发明实施例的输出耦合镜上所刻的圆孔与不同大小同心圆环结构显微图。其中：9.半径为25微米的圆孔；10.内半径为200微米、外半径为300微米的圆环；11.内半径为500微米、外半径为700微米的圆环。
图3是本发明实施例所产生的多涡旋光束光斑图样(由CCD照相机显示)。其中：12.1＝1的涡旋光束光斑图样；13.1＝19的涡旋光束光斑图样；14.1＝71的涡旋光束光斑图样。
图4是用于判断各个涡旋光束阶数的柱透镜模式转换器示意图。其中：15.圆透镜；16.第一柱透镜；17.第二柱透镜；18.LG0，19模式的涡旋光束光斑图样；18；HG0，19模式的厄米高斯光束光斑图样。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
实施例
一种腔内直接产生多涡旋光束的方法，其特点在于，该方法包括如下步骤：
1)搭建如图1所示的激光器结构，激光器由泵浦源1、第一凸透镜2、第二凸透镜3、凹面镜4、增益晶体5以及表面刻有圆孔以及不同大小同心圆环的输出耦合镜6(平面端镜)组成。其中泵浦源1为激光二极管，发射波长为808nm，通过第一凸透镜2和第二凸透镜3准直聚焦到增益晶体5内部，增益晶体5为掺钕的钒酸钇晶体(Nd：YV04)，晶体前后表面镀有1064nm波长和808nm波长的增透膜，谐振腔由凹面镜4以及输出耦合镜6组成，凹面镜4的曲率半径为100毫米，表面镀有1064nm波长的高反膜，输出耦合镜6表面刻有圆孔与不同大小的同心圆环(利用脉冲激光刻蚀形成)，其显微图如图2所示，其中圆孔的半径为25微米，中间环的内半径为200微米、外半径为300微米，外环的内半径为500微米、外半径为700微米，镜片表面的介质膜对1064nm波长的透射率为1.5％，凹面镜4与输出耦合镜6的距离(即腔长)为5.5厘米，激光从输出耦合镜6输出。
2)在输出耦合镜6后放置CCD照相机，监测激光光斑图样，调节增益晶体5或第二凸透镜3的位置，使泵浦光入射进增益晶体中，调节激光器使其输出较大的圆形光斑。移动输出耦合镜6的横向(垂直于激光传播方向)位置，将所刻的同心结构靠近光束中心，直到CCD中显示的光斑呈现多个环形，则已将所刻的同心结构调节至光束中心；若CCD中只能显示一个环形，则需优化增益晶体5或第二凸透镜3的位置，直到CCD中显示多个环形，此时所产生的多个环形光束为多涡旋光束，所产生的多涡旋光束光斑图样如图3。
3)利用光阑分别选择不同涡旋光束通过，并利用柱透镜模式转换器将涡旋光束转换为HG01模式的厄米高斯光束。如图4，模式转换器由圆透镜15、第一柱透镜16以及第二柱透镜17组成，两个柱透镜完全相同，第一柱透镜16第二柱透镜17之间的距离为f为两柱透镜的焦距，利用圆透镜15将涡旋光束聚焦到两柱透镜的中心，将涡旋光束转化为厄米高斯光束，对于HG01模式的厄米高斯光束，其光斑图样呈现沿同一方向排列的1+1个瓣，利用CCD显示厄米高斯光束的光斑图样，只需数出瓣的个数，即可判断出所产生的涡旋光束的阶数，例如，转换得到的厄米高斯光束(图4中的19)的光斑图样呈现20个瓣，可判断出所产生的涡旋光束(图4中18)的阶数为1＝20-1＝19。按照此方法可以判断出所产生的三个涡旋光束的阶数分别为1＝1、1＝19、1＝71。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种腔内直接产生多涡旋光束的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1)搭建一个激光器，该激光器包括泵浦源(1)，沿该泵浦源(1)的泵浦光输出方向依次是第一凸透镜(2)、第二凸透镜(3)、凹面镜(4)、增益晶体(5)和输出耦合镜(6)，从泵浦源(1)出射的泵浦光经过第一凸透镜(2)和第二凸透镜(3)进入所述的增益晶体(5)；所述的凹面镜(4)与输出耦合镜(6)组成谐振腔，所述的输出耦合镜(6)表面刻蚀有圆形微孔和围绕该圆形微孔的多个不同直径的圆环，所述的圆形微孔和各个圆环的圆心重合形成同心结构，调节激光器使其输出激光；
2)在激光输出方向设置CCD照相机，监测输出激光的光斑图样，调节增益晶体(5)或第二凸透镜(3)的位置，使泵浦光入射进增益晶体中，调节激光器使其输出较大的圆形光斑，调节所述的输出耦合镜(6)的横向位置，使所述的输出耦合镜(6)表面的同心结构向激光光束中心移动，直到所述的CCD照相机中显示出多个环形的光斑图样，则激光器输出了多个LG01模式的涡旋光束，其中1为非零整数，称为涡旋光束的阶数；
3)利用光阑分别选择不同涡旋光束通过，在光阑后设置柱透镜模式转换器，所述的柱透镜模式转换器依次由圆透镜(15)、第一柱透镜(16)和第二柱透镜(17)组成，两个柱透镜完全相同，第一柱透镜(16)和第二柱透镜(17)之间的距离为f为柱透镜的焦距，进行模式转换时，利用圆透镜(15)将涡旋光束聚焦到两柱透镜之间的中心位置，将CCD照相机置于所述的柱透镜模式转换器的输出方向，在CCD照相机上显示出厄米高斯光束的光斑图样，将LG01模式的涡旋光束转换为HG01模式的厄米高斯光束，以判断各个涡旋光束的阶数。
2.根据权利要求1所述的腔内直接产生多涡旋光束的方法，其特征在于所述的输出耦合镜(6)表面刻蚀的圆孔的面积以及各圆环外径构成的面积分别与不同阶数环形涡旋光束的空心区域面积相当；中心圆孔与第一环之间的距离以及其它相邻圆环之间的距离分别与不同阶数环形涡旋光束环的宽度相当。
3.根据权利要求1或2所述的腔内直接产生多涡旋光束的方法，其特征在于所述的涡旋光束阶数的判断方法是将转换得到的厄米高斯光束光斑图样的光瓣数减1即为相应的LG01模式的涡旋光束的阶数。
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