CN109217096B - 一种基于电光晶体的可调偏振双半反高斯空心调q激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电光晶体的可调偏振双半反高斯空心调Q激光器，包括从左至右依次设置的泵浦源(1)、耦合光学系统(2)、激光增益介质(3)、电光晶体圆锥镜(5)和玻璃圆锥镜(6)，所述电光晶体圆锥镜(5)的上方设置有正电极(7)，电光晶体圆锥镜(5)的下方设置有负电极(4)；所述激光增益介质(3)的左端面作为激光器谐振腔输入镜，玻璃圆锥镜(6)作为谐振腔的输出镜，激光增益介质(3)的左端面与玻璃圆锥镜(6)的负圆锥镜面构成激光谐振腔。本发明能够实现空心激光器的调Q，以及两个正交偏振态的双半反高斯空心激光束交替输出。

Description

一种基于电光晶体的可调偏振双半反高斯空心调Q激光器

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特别是涉及一种基于电光晶体的可调偏振双半反高斯空心调Q激光器。

背景技术

随着空心激光技术在生物学、激光加工和原子冷却等方面得到广泛的应用，人们利用光束整形技术研制出了各种光强分布形式空心激光束，光束的共同点都是从光环内边缘到中心光强逐渐减弱，呈渐变按照高斯函数分布，理论上只有中心一点光强为零。然而，通过整形所获得空心光束使得激光原有的相干性、光强对比度和偏振特性都遭到破坏，并且光束的模式并不是激光的本征态，光束的传输性能变差，严重的限制了空心激光束的应用。因此，人们一直在寻求利用源谐振腔来实现本征态空心激光。吕彦飞等提出了一种新型空心光束的物理模型(Optics and Laser Technology,2014,56:404-408)，即双半反高斯空心光束，其径向光强分布如图1所示，从图1中可以看出该种空心光束在垂轴截面光环的光强分布特点是：光环的空心部分光强全部为零，而在光环的外边缘光强最强，从光环的外边缘到光环的内边缘光强呈高斯函数规律减弱，形成双半反高斯函数分布。双半反高斯光束有较大暗斑尺寸和高的光强对比度，大暗斑尺寸和高光强对比度的双半反高斯空心激光束在光学捕获、玻色-爱因斯坦凝聚、光学囚禁、原子冷却、生物光镊和同位素分离等领域中有着广泛的应用前景。

然而到目前为止，双半反高斯空心激光束还没有利用有源谐振腔的激光技术来实现。相对传统高斯光束实心激光器，光强度集中在光环外侧的双半反高斯空心激光束，在激光加工领域更有优势，例如激光打孔等。此外不同偏振空心激光在医学、生物学和激光材料加工时的需要是不同的，例如在光学捕获时细胞对不同偏振的空心光的梯度力不同。因此，实现一种可调的偏振空心激光具有重要的科学价值和应用前景。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于电光晶体的可调偏振双半反高斯空心调Q激光器，能够实现空心激光器的调Q，以及两个正交偏振态的双半反高斯空心激光束交替输出。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于电光晶体的可调偏振双半反高斯空心调Q激光器，包括从左至右依次设置的泵浦源、耦合光学系统、激光增益介质、电光晶体圆锥镜和玻璃圆锥镜，所述电光晶体圆锥镜的上方设置有正电极，电光晶体圆锥镜的下方设置有负电极；所述激光增益介质的左端面作为激光器谐振腔输入镜，玻璃圆锥镜作为谐振腔的输出镜，激光增益介质的左端面与玻璃圆锥镜的负圆锥镜面构成激光谐振腔。

优选地，所述泵浦源、耦合光学系统、激光增益介质、电光晶体圆锥镜和玻璃圆锥镜的中心位于同一直线上。

其中，所述电光晶体圆锥镜的锥角α、玻璃圆锥镜的负锥角β与正锥角ω满足如下关系：(n_g-1)(β-ω)＝(n_c-1)(π-α)与α+β+n_c(π-α)＝2π，可使得电光晶体圆锥镜与玻璃圆锥镜构成望远系统，其中，n_g和n_c分别为玻璃圆锥镜晶体圆锥镜的折射率。

所述激光增益介质的左端面对激光波长镀高反射膜，同时对泵浦波长镀增透膜。所述电光晶体圆锥镜对激光波长镀增透膜。所述玻璃圆锥镜的负圆锥面对激光波长镀10％的介质膜，正圆锥面(母线所在的面)对激光波长镀增透膜。

本发明的有益效果是：(1)本发明利用有源谐振腔输出的空心光束是激光的本征模式，其光束具有好的相干性和高的光强对比度；(2)本发明形成的激光光束具有较大的空心区域，且光环的外边缘到光环的内边缘光强呈高斯函数规律减弱，形成双半反高斯强度分布，能量主要集中于光环外边缘；(3)本发明通过附加、撤销以及改变电光晶体圆锥镜上的附加电压可实现分别对两个正交偏振态的双半反高斯空心激光器的调Q，以及两个正交偏振态的双半反高斯空心激光束交替输出。

附图说明

图1为双半反高斯空心激光束的强度分布示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为电光晶体圆锥镜的结构示意图；

图4为玻璃圆锥镜的结构示意图；

图5为可调正交偏振态原理示意图；

图中，1-泵浦源，2-耦合光学系统，3-激光增益介质，4-负电极，5-电光晶体圆锥镜，6-玻璃圆锥镜，7-正电极。

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，一种基于电光晶体的可调偏振双半反高斯空心调Q激光器，包括从左至右依次设置的泵浦源1、耦合光学系统2、激光增益介质3、电光晶体圆锥镜5和玻璃圆锥镜6，所述电光晶体圆锥镜5的上方设置有正电极7，电光晶体圆锥镜5的下方设置有负电极4；所述激光增益介质3的左端面作为激光器谐振腔输入镜，玻璃圆锥镜6作为谐振腔的输出镜，激光增益介质3的左端面与玻璃圆锥镜6的负圆锥镜面构成激光谐振腔。

在本申请的实施例中，所述泵浦源1、耦合光学系统2、激光增益介质3、电光晶体圆锥镜5和玻璃圆锥镜6的中心位于同一直线上。

泵浦源1发出的激光束，经耦合光学系统2采用端面泵浦方式将泵浦光束注入到激光增益介质3内，且激光增益介质3的左端面作为谐振腔的输入镜；如图3所示，电光晶体圆锥镜5由KDP晶体制成，其锥角为α，且光轴沿着z轴方向；腔内激光束经过电光晶体圆锥镜5变换后，使光束横截面变成光环，且光环的外边缘光强最强，从光环的外边缘到光环的内边缘光强呈高斯函数规律减弱，形成双半反高斯函数分布。如图4所示，玻璃圆锥镜6由K9玻璃制成，负圆锥面(左侧)的锥角为β(定义为负锥角)，正圆锥侧面(右侧)的锥角为ω(定义为正锥角)，玻璃圆锥镜6作为谐振腔的输出镜，激光增益介质3的左端面与玻璃圆锥镜6的负圆锥镜面构成激光谐振腔，当电光晶体圆锥镜5的锥角α、玻璃圆锥镜6的负锥角β与玻璃圆锥镜6的正锥角ω满足(n_g-1)(β-ω)＝(n_c-1)(π-α)关系时，玻璃圆锥镜6把谐振腔内发散的激光束变换成平行光束输出到腔外。

当电光晶体圆锥镜5的锥角α与玻璃圆锥镜6的负锥角β满足α+β+n_c(π-α)＝2π关系时，电光晶体圆锥镜5变换后的光束垂直入射到玻璃圆锥镜6负圆锥镜面，此时谐振腔的损耗最小，谐振腔处于最高Q值状态(开门)，双半反高斯空心激光束从玻璃圆锥镜6的正圆锥镜面输出。当电光晶体圆锥镜5加上电压(V₁)时，晶体的折射率发生改变，使得光束发生偏折，使谐振腔的损耗瞬间增大，激光不能在谐振腔中振荡，谐振腔处于最低Q状态(关门)，当电光晶体圆锥镜5上的电压突然撤去时，谐振腔的损耗又变成最小，此时谐振腔又处于开门状态，如此反复过程便形成双半反高斯空心激光器调Q技术。

当光束以θ角入射到电光晶体圆锥镜5的母线时发生双折射，即o光和e光，但o光或者e光只有其中一种偏振态在激光谐振腔内为低损耗状态。如图5所示，设o光(实线)为低损耗状态，由晶体双折射效应，e光(虚线)为高损耗状态(关门)，当附加在电光晶体圆锥镜5上的电压值为V₂时，e光(虚线)的偏折角由ψ₂变为ψ₁，此时，e光垂直玻璃圆锥镜6的负圆锥侧面，e光为低损耗状态(开门)，可实现e光输出。在附加电光晶体圆锥镜5上的电压值在V₂与V₁转换时，可实现对e光进行调Q。当V₁＝V₂时，通过附加电压V₂和撤销电压V₂时，可实现e光和o光反双半高斯正交偏振空心激光交替产生。

在本申请的实施例中，泵浦波长(即泵浦源的输出光波长)为808nm，激光波长(即整个激光器的输出光波长)为1064nm，具体地，泵浦源1采用输出波长为808nm光纤耦合二极管阵列的半导体激光器；光学耦合系统2采用芯直径为400μm的光纤和一对凸面相对且焦距为20mm平凸透镜组成，将泵浦功率注入到激光增益介质3中；具体地，泵浦源1通过光纤将泵浦光垂直入射到两个平凸透镜中，泵浦光通过平凸透镜后耦合后，再注入激光增益介质3中，激光增益介质3采用Φ6mm×3mm、1.0at.％钕离子掺杂浓度的钇铝石榴石(Nd:YAG)晶体；对泵浦模块和Nd:YAG进行TEC致冷，且激光增益介质3的左端面作为谐振腔的输入镜对1064nm镀高反射膜，同时对808nm镀增透膜；KDP电光晶体圆锥镜晶体5的锥角α＝30o，且光轴沿着z轴方向，KDP电光晶体圆锥镜晶体5的顶点到其底面的距离l₁＝15mm。玻璃圆锥镜6由K9玻璃制成，负圆锥面(左侧)的锥角β＝150o，正圆锥面(右侧)的锥角ω＝28o，玻璃圆锥镜6作为激光谐振腔的输出耦合镜，其负圆锥侧面对1064nm镀10％的介质膜，正圆锥侧面对1064nm镀增透膜，并把双半反高斯空心激光束输出到腔外。

正电极7和负电极4之间的距离为d＝20mm。当KDP电光晶体圆锥镜晶体5不加电压时，电光晶体圆锥镜5变换后的光束垂直入射到玻璃圆锥镜6负圆锥镜面，此时谐振腔的损耗最小，此时谐振腔处于最高Q值状态(开门)，1064nm(o光)双半反高斯空心激光由玻璃圆锥镜6的正圆锥镜面输出，当KDP电光晶体圆锥镜5加上电压时(V₁＝4.0kV)，晶体的折射率发生改变，o光束发生偏折，使谐振腔的损耗瞬间增大，激光不能在谐振腔中振荡，谐振腔处于最低Q状态(关门)，不输出激光。因此，通过反复加电压V₁和撤掉V₁电压可实现1064nm(o光)双半反高斯空心激光调Q。

经计算得，当电压为V₂＝5.13kV时，e光可满足可电光晶体圆锥镜5变换后的光束垂直入射到玻璃圆锥镜5负圆锥镜面，此时e光束在谐振腔内为低损耗状态，即谐振腔处于最高Q值状态(开门)，1064nm(e光)双半反高斯空心激光由玻璃圆锥镜6的正圆锥镜面输出；当电压变换到V₁时，谐振腔的损耗又瞬间增大，激光不能在谐振腔中振荡，谐振腔处于最低Q状态(关门)，不输出激光。通过电压反复电压值在5.13kV和4.0kV之间转换可实现1064nm(e光)双半反高斯空心脉冲激光输出。通过反复附加电压V₂和撤掉V₂电压，可实现1064nm e光和o光的双半反高斯正交偏振空心激光束交替输出。

综上，本发明利用有源谐振腔输出的空心光束是激光的本征模式，其光束具有好的相干性和高的光强对比度；形成的激光光束具有较大的空心区域，且光环的外边缘到光环的内边缘光强呈高斯函数规律减弱，形成双半反高斯强度分布，能量主要集中于光环外边缘；可以通过附加、撤销以及改变电光晶体圆锥镜上的附加电压可实现分别对两个正交偏振态的双半反高斯空心激光器的调Q，以及两个正交偏振态的双半反高斯空心激光束交替输出。

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 (4)

1.一种基于电光晶体的可调偏振双半反高斯空心调Q激光器，其特征在于：包括从左至右依次设置的泵浦源(1)、耦合光学系统(2)、激光增益介质(3)、电光晶体圆锥镜(5)和玻璃圆锥镜(6)，所述电光晶体圆锥镜(5)的上方设置有正电极(7)，电光晶体圆锥镜(5)的下方设置有负电极(4)；所述激光增益介质(3)的左端面作为激光器谐振腔输入镜，玻璃圆锥镜(6)作为谐振腔的输出镜，激光增益介质(3)的左端面与玻璃圆锥镜(6)的负圆锥镜面构成激光谐振腔；

所述电光晶体圆锥镜(5)的锥角α、玻璃圆锥镜(6)的负锥角β与正锥角ω满足如下关系：(n_g-1)(β-ω)＝(n_c-1)(π-α)与α+β+n_c(π-α)＝2π，使得电光晶体圆锥镜(5)与玻璃圆锥镜(6)构成望远系统，其中，n_g和n_c分别为玻璃圆锥镜(6)、晶体圆锥镜(5)的折射率。

2.根据权利要求1所述的一种基于电光晶体的可调偏振双半反高斯空心调Q激光器，其特征在于：所述激光增益介质(3)的左端面对激光波长镀高反射膜，同时对泵浦波长镀增透膜。

3.根据权利要求1所述的一种基于电光晶体的可调偏振双半反高斯空心调Q激光器，其特征在于：所述电光晶体圆锥镜(5)对激光波长镀增透膜。

4.根据权利要求1所述的一种基于电光晶体的可调偏振双半反高斯空心调Q激光器，其特征在于：所述玻璃圆锥镜(6)的负圆锥面对激光波长镀10％的介质膜，正圆锥面对激光波长镀增透膜。