CN109193331B - 一种旋转对称偏振无衍射零级马丢光束激光光源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种旋转对称偏振无衍射零级马丢光束激光光源，包括泵浦源、耦合光学系统、输入镜、标量衍射光学元件、激光增益介质和矢量衍射光学元件，通过以马丢函数分布为目标光场的标量衍射光学元件约束激光谐振腔内电磁场的强度分布，有效抵消了传统激光谐振腔的衍射效应，借助激光谐振腔的模式竞争机制克服了利用光束整形方法无法消除马丢光束的高级衍射分布，获得了无衍射零级马丢本征态激光束分布；利用矢量衍射光学元件约束激光谐振腔内电磁场的偏振态分布，获得了旋转对称偏振激光束分布，从而实现了旋转对称偏振零级无衍射马丢光束本征态空心激光束的输出。

Description

一种旋转对称偏振无衍射零级马丢光束激光光源
技术领域
本发明涉及激光技术领域中，涉及的一种旋转对称偏振无衍射零级马丢光束激光光源。
背景技术
衍射效应是光波在传输过程中的一个基本特性，正是因为衍射效应的存在，光波在传输过程中光斑逐渐变大，能量逐渐发散。随着激光在长距离传输领域应用中的不断拓展与深化，人们越来越希望消除衍射效应，降低激光束在传输过程中的耗散。因此，自从激光器问世以来，如何克服衍射效应就一直是人们研究的热点。
最初，人们对消除激光束衍射效应的研究仅限于非线性材料中，例如，在非线性晶体中自聚焦效应可以抵消激光束的衍射效应。然而，在自由空间中消除激光束衍射效应的需求也非常迫切，例如，在激光测量、激光雷达和激光武器等领域。理论上，在自由空间中的无衍射光束可在不同坐标系下求解亥姆霍兹方程获得，即在直角坐标系下可解得余弦光束，在圆柱坐标系下可解得贝塞尔光束，在椭圆柱坐标系下可解得马丢光束，在抛物柱坐标系下可解得抛物线光束。事实上，无衍射光束已经有大量的研究，例如，最近比较热门研究的艾里光束，以及比较典型的贝塞尔光束。艾里光束虽然具有自愈特性和自弯曲特性，但该光束不具有轴对称性，因而严重限制了它的应用，例如利用该光束无法实现空间自相位匹配技术、纵波技术以及谐波转换技术(光谱角色散、晶体级联、惆啾辅助匹配及折返点匹配等)；贝塞尔光束虽然是亥姆霍兹方程的特解，但由于垂直于传播方向上光束横截面光强度具有旋转对称性，在利用衍射光学元件通过激光谐振腔选择模式时，腔内光束不可避免的会产生相位突变点和偏振奇异点，无法获得本征模式的激光，只能通过光束整形获得，这样不仅使激光束能量有较大损耗，而且激光束原有的相干性、光强对比度和偏振特性等都遭到了破坏，因此严重限制了该光束在某些领域中的应用。而马丢光束是在椭圆柱坐标系下亥姆霍兹方程的特解，光束强度在垂直于传播方向的横截面上不具有旋转对称性，利用衍射光学元件在激光谐振腔内选择模式时，光束就不会产生相位突变点和偏振奇异点。此外，马丢光束还具有自重建特性，更容易通过有源谐振腔获得高质量本征模式的激光。
目前，可以通过整形的方式获得马丢光束，如图1所示，He-Ne激光器1经第一凸透镜2和第二凸透镜3所构成的望远系统扩束准直后，平行光入射到锥镜4进行振幅调制后获得马丢光是光强分布。通过整形获得的光束缺陷在于：激光束原有的相干性、光强对比度和偏振特性都遭到破坏；马丢光束高级衍射光斑无法消除；所获得的光束不是激光的本征态，传输性能较差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种旋转对称偏振无衍射零级马丢光束激光光源，实现了无衍射零级马丢本征态激光束分布。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种旋转对称偏振无衍射零级马丢光束激光光源，包括从左至右依次设置的泵浦源、耦合光学系统、输入镜、激光增益介质和矢量衍射光学元件，所述输入镜的正下方设置有标量衍射光学元件，所述标量衍射光学元件以马丢函数为目标函数约束激光束的强度分布。所述矢量衍射光学元件约束激光束的偏振态分布，其偏振分布为旋转对称偏振。
本发明的有益效果是：本发明通过以马丢函数分布为目标光场的标量衍射光学元件约束激光谐振腔内电磁场的强度分布，有效抵消了传统激光谐振腔的衍射效应，借助激光谐振腔的模式竞争机制克服了利用光束整形方法无法消除马丢光束的高级衍射分布，获得了无衍射零级马丢本征态激光束分布；利用矢量衍射光学元件约束激光谐振腔的内电磁场的偏振态分布，获得了旋转对称偏振激光束分布，从而实现了旋转对称偏振零级无衍射马丢光束本征态空心激光束的输出。
附图说明
图1为通过整形的方式获得马丢光束的原理示意图；
图2为本发明的原理示意图；
图3为旋转对称偏振产生原理图；
图中，1-He-Ne激光器，2-第一凸透镜，3-第二凸透镜，4-锥镜，5-泵浦源，6-耦合光学系统，7-输入镜，8-标量衍射光学元件，9-激光增益介质，10-矢量衍射光学元件。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图2所示，一种旋转对称偏振无衍射零级马丢光束激光光源，包括从左至右依次设置的泵浦源5、耦合光学系统6、输入镜7、激光增益介质9和矢量衍射光学元件10，所述输入镜7的正下方设置有标量衍射光学元件8，所述标量衍射光学元件8以马丢函数为目标函数约束激光束的强度分布，所述矢量衍射光学元件10约束激光束的偏振态分布，其偏振分布为旋转对称偏振。
在本申请的实施例中，泵浦源5采用输出波长为808nm光纤耦合二极管阵列的半导体激光器，所述光学耦合系统6包括光纤和两个凸面相对的平凸透镜；泵浦源5通过光纤将泵浦光垂直两个平凸透镜中，泵浦光通过平凸透镜后耦合后，经输入镜7进入激光增益介质9中；所述光纤芯直径为400μm；所述平凸透镜、泵浦源5、输入镜7、激光增益介质9和矢量衍射光学元件10的中心位于同一直线上。激光增益介质9采用Φ6mm×3mm、1.0at.％钕离子掺杂浓度的掺钕离子钇铝石榴石(Nd:YAG)晶体，对泵浦模块和Nd:YAG进行TEC致冷；输入镜7采用与水平面夹角为45度的平面镜，该平面镜两个通光面既镀有808nm波长增透膜，也镀有1064nm波长的高反射膜；标量衍射光学元件8作为谐振腔内约束光场强度分布元件，目标光场为马丢强度分布；矢量衍射光学元件10采用亚波长介质光栅作为激光谐振腔内选择旋转对称偏振态的元件，亚波长介质光栅制作成分块状并组成扇区结构，每个分块光栅相当于一个偏振分束器，如图3所示，光束在横截面上中心点除外任意一点的偏振态为线偏振，偏振方位在横截面内；设y-z平面为光束的横截面，x轴代表光束的传输轴，S(r,φ)为光束横截面上的某一点(中心点除外)，当φ＝0时对应的初始偏振方位角，其值与y轴的选取有关；S点的偏振方位与该点对应的空间方位角有关。借助谐振腔内模式竞争，只有与栅条垂直的模式(旋转对称偏振光束)光低损耗稳定振荡，而与栅条平行的模式光由于高损耗被抑制，腔内振荡激光束为旋转对称偏振激光束，根据谐振腔的模式竞争理论，马丢光束的高级衍射光由于高损耗被抑制，因此只有零级衍射的马丢激光束在腔内能运行。标量衍射光学元件8的通光面对1064nm波长镀透过率为10％的介质膜，约束腔内电磁场强度分布的同时将旋转对称偏振的马丢激光束输出到腔外。标量衍射光学元件8的设计方式如下：设标量衍射光学元件8处入射面的初始振荡光场为随机分布，入射光场经标量衍射光学元件8进行傅立叶变换的衍射光场的振幅用目标光场的振幅来替换，目标光场为马丢光束分布函数：(ρ，z为椭圆柱坐标变量，ucm和usm分别偶模式和奇模式的马丢光束)，再将该替换后的光场进行逆傅立叶变换光场的振幅用入射光场的振幅来替换，该迭代过程反复多次进行，直至误差函数值不再降低为止，上述迭代过程实际上就是激光模式的自洽过程。在每次迭代过程中相位都会改变，最后根据标量衍射光学元件8处光场分布便可以得到相位分布，根据相位分布便可加工得到相应的标量衍射光学元件8。
本发明通过以马丢函数分布为目标光场的标量衍射光学元件约束激光谐振腔内电磁场的强度分布，有效抵消了传统激光谐振腔的衍射效应，借助激光谐振腔的模式竞争机制克服了利用光束整形方法无法消除马丢光束的高级衍射分布，获得了无衍射零级马丢本征态激光束分布；利用矢量衍射光学元件约束激光谐振腔的内电磁场的偏振态分布，获得了旋转对称偏振激光束分布，从而实现了旋转对称偏振零级无衍射马丢光束本征态空心激光束的输出。可补充传统激光谐振腔的运行体系，推动激光物理与其它交叉学科的发展，而且还能为众多领域提供可靠的新型激光光源，可广泛应用到空间光学通信、光学相干断层扫描、光介导粒子、电子捕获、加速驱动、光学囚禁和光学诱导等领域。此外，利用马丢激光束聚焦可以开展具有重要学术价值和潜在应用前景纵波场激光的研究，以及通过空间自相位匹配技术实现高效率和带宽较宽的三次谐波紫外或深紫外激光的研究。
需要说明的是，以上所述是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应该看作是对其他实施例的排除，而可用于其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种旋转对称偏振无衍射零级马丢光束激光光源，其特征在于：包括从左至右依次设置的泵浦源(5)、耦合光学系统(6)、输入镜(7)、激光增益介质(9)和矢量衍射光学元件(10)，所述输入镜(7)的正下方设置有标量衍射光学元件(8)，所述标量衍射光学元件(8)以马丢函数为目标函数约束激光束的强度分布；
通过以马丢函数分布为目标光场的标量衍射光学元件约束激光谐振腔内电磁场的强度分布，抵消了传统激光谐振腔的衍射效应，借助激光谐振腔的模式竞争机制克服利用光束整形方法无法消除马丢光束的高级衍射分布，获得无衍射零级马丢本征态激光束分布；
所述矢量衍射光学元件(10)约束激光束的偏振态分布，其偏振分布为旋转对称偏振；利用矢量衍射光学元件约束激光谐振腔的内电磁场的偏振态分布，获得旋转对称偏振激光束分布，从而实现旋转对称偏振零级无衍射马丢光束本征态空心激光束的输出。
2.根据权利要求1所述的一种旋转对称偏振无衍射零级马丢光束激光光源，其特征在于：所述光学耦合系统(6)包括光纤和两个凸面相对的平凸透镜；泵浦源(5)通过光纤将泵浦光垂直两个平凸透镜中，泵浦光通过平凸透镜后耦合后，经输入镜(7)进入激光增益介质(9)中。
3.根据权利要求2所述的一种旋转对称偏振无衍射零级马丢光束激光光源，其特征在于：所述光纤芯直径为400μm。
4.根据权利要求2所述的一种旋转对称偏振无衍射零级马丢光束激光光源，其特征在于：所述平凸透镜、泵浦源(5)、输入镜(7)、激光增益介质(9)和矢量衍射光学元件(10)的中心位于同一直线上。
5.根据权利要求1所述的一种旋转对称偏振无衍射零级马丢光束激光光源，其特征在于：所述输入镜(7)为平面镜，输入镜(7)的两个通光面均镀有808nm波长增透膜和1064nm波长的高反射膜。
6.根据权利要求1所述的一种旋转对称偏振无衍射零级马丢光束激光光源，其特征在于：所述激光增益介质(9)采用掺钕离子钇铝石榴石晶体，该晶体中钕离子掺杂浓度为1.0at.％。
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