CN110011173B - 一种可调控一维涡旋阵列激光被动调q微片激光器 - Google Patents

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Abstract

一种可调控一维涡旋阵列激光被动调Q微片激光器,属于涡旋激光领域，包括依次设置的泵浦源、准直透镜、环形聚焦透镜和激光谐振腔；泵浦源与环形聚焦透镜固定在同一水平光轴上；准直透镜在与水平光轴方向垂直的平面内可移动；激光谐振腔相对于水平面呈倾斜设置，激光谐振腔的输出激光光轴与水平面之间的夹角为0.5°～5°；从泵浦源发出的泵浦光先经过准直透镜进行准直，再通过环形聚焦透镜聚焦并整形为空心光束，然后输出传播方向偏离光轴的偏心环形泵浦光，该偏心环形光泵浦经过倾斜设置的激光谐振腔后输出含有多个光学涡旋的一维涡旋阵列激光。通过本发明可简单、高效地获得具有高光束质量和高光学转化效率的一维涡旋阵列激光输出。

Description

一种可调控一维涡旋阵列激光被动调Q微片激光器
技术领域
本发明涉及涡旋激光领域，尤其涉及一种可调控一维涡旋阵列激光被动调Q微片激光器。
背景技术
涡旋激光，其电场表达式中含有螺旋相位因子，在向前传输的过程中具有螺旋型的波前相位分布。这种电场结构会造成不同光波在轴线上彼此相消，因此在涡旋激光的中心位置处会存在一个不确定的相位，我们称之为相位奇点。1992年，Allen等人证实涡旋光束可以携带轨道角动量[1]，这个特性使得其可广泛应用于信息处理[2]、微粒操控[3]、光学成像[4]和光学通信[5,6]等领域。涡旋激光阵列是一种包含多个独立相位奇点的特殊激光，具备很多孤立光学涡旋所不具备的优良特性。除了可以同时控制多个微粒的运动外，涡旋激光阵列还可以有很多其他的应用场景，例如小角度旋转角的测量[7]、超分辨率成像、微光刻[8]、生物大分子分拣[9]等等。现阶段可用于获得涡旋阵列的途径有很多种，譬如多光束小角度干涉法[10]、空间光调制器法[11]、波前分解干涉法[12]、计算全息法等，但这些方法大都需要额外插入光学元件，而通常情况下这些光学元件的损伤阈值都比较低，因此不利于输出具有高峰值功率的涡旋激光阵列。此外，外加光学元件会降低系统的光学转化效率，同时还会使输出光的光束质量变差。
参考文献：
[1]Allen L,Beijersbergen M W,Spreeuw R J C,et al.Orbital angularmomentum of light and the transformation of Laguerre-Gaussian laser modes[J].Physical Review A,1992,45(11):8185-8189。
[2]Molina-Terriza G,Torres J P,Torner L.Twisted photons[J].Naturephysics,2007,3(5):305。
[3]Ashkin A.Acceleration and trapping of particles by radiationpressure[J].Physical Review Letters,1970,24(4):156-159。
[4]Jesacher A,Fürhapter S,Bernet S,et al.Spiral interferogramanalysis[J].JOSA A,2006,23(6):1400-1409。
[5]Wang J,Yang J Y,Fazal I M,et al.Terabit free-space datatransmission employing orbital angular momentum multiplexing[J].NaturePhotonics,2012,6:488。
[6]ThidéB,Then H,
Figure BDA0002033656720000021
J,et al.Utilization of photon orbital angularmomentum in the low-frequency radio domain[J].Physical review letters,2007,99(8):087701。
[7]Masajada J.Small rotation-angle measurement with optical vortexinterferometer[J].Optics Communications,2004,239:373–381。
[8]Levenson M D,Ebihara T,Dai G,et al.Optical vortex masks for vialevels[M].SPIE,2004。
[9]Chapin S C,Germain V,Dufresne E R.Automated trapping,assembly,andsorting with holographic optical tweezers[J].Optics Express,2006,14(26):13095-13100。
[10]Masajada J,Dubik B.Optical vortex generation by three plane waveinterference[J].Optics Communications,2001,198(1):21-27。
[11]Curtis J E,Koss B A,Grier D G.Dynamic holographic opticaltweezers[J].Optics Communications,2002,207(1):169-175。
[12]Masajada J,Popiolek-Masajada A,Leniec M.Creation of vortexlattices by a wavefront division[J].Optics Express,2007,15(8):5196-5207。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种可调控一维涡旋阵列激光被动调Q微片激光器,可简单、高效地获得具有高光束质量和高光学转化效率的一维涡旋阵列激光输出。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种可调控一维涡旋阵列激光被动调Q微片激光器，包括依次设置的泵浦源、准直透镜、环形聚焦透镜和激光谐振腔；所述泵浦源与环形聚焦透镜固定在同一水平光轴上；所述准直透镜安装于三维调整架上，以使准直透镜在与水平光轴方向垂直的平面内可移动；所述激光谐振腔相对于水平面呈倾斜设置，且位于环形聚焦透镜的焦点后0.2～0.5mm处，激光谐振腔的输出激光光轴与水平面之间的夹角为0.5°～5°；光路如下：从泵浦源发出的泵浦光先经过准直透镜进行准直，再通过环形聚焦透镜聚焦并整形为空心光束，然后输出传播方向偏离光轴的偏心环形泵浦光，该偏心环形光泵浦经过倾斜设置的激光谐振腔后输出含有多个光学涡旋的一维涡旋阵列激光。
准直透镜和环形聚焦透镜的焦距和透镜间距无明确限制，起到对泵浦光的准直和整形作用即可。在实际应用中，当考虑到激光器的小型化需求时，准直透镜和环形聚焦透镜的焦距通常为8～15mm；准直透镜和环形聚焦透镜的透镜间距需要远远大于透镜的焦距，对应此焦距范围，透镜间距可选取为50～100mm。
所述激光谐振腔可采用镀膜的激光晶体，所述激光晶体朝向环形聚焦透镜的正面镀有对入射的泵浦波长的高透膜和对形成的激光波长的高反膜，所述激光晶体的背面镀有对形成的激光波长的部分反射膜。
所述激光谐振腔也可采用通过夹具紧密结合在一起的激光晶体和输出耦合镜，且激光晶体朝向环形聚焦透镜；所述激光晶体朝向环形聚焦透镜的一面镀有对入射的泵浦波长的高透膜和对形成的激光波长的高反膜作为激光谐振腔的后腔镜，输出耦合镜与激光晶体接触的表面镀有对形成的激光波长的部分反射膜作为激光谐振腔的另一个腔镜。
所述部分反射膜的反射率为50％～95％。
所述激光晶体可选择掺稀土离子的激光晶体，如Nd:YAG晶体、Nd:YVO4晶体以及Yb:YAG晶体等；掺杂浓度与掺杂的离子类型、基底介质类型有关，例如当使用Nd:YAG晶体作为激光晶体时，掺杂浓度一般需小于1.5at.％。在晶体厚度的选择方面需要考虑到热效应、吸收系数等影响，一般与离子的掺杂浓度有关，比如对于掺杂浓度为1.0at.％的Nd:YAG晶体而言，晶体厚度一般选取1～4mm之间。
本发明中，所述激光晶体可选取Nd:YAG/Cr4+:YAG复合晶体；Nd:YAG/Cr4+:YAG复合晶体由Nd:YAG晶体和Cr4+:YAG晶体通过键合扩散技术制备而成的复合晶体。
所述泵浦源采用激光二极管。激光二极管的波长选取与所用的激光晶体的吸收波长有关，都是由所需的激光波长决定，可通过理论计算得到。例如：对于掺Nd3+离子的激光晶体可选用中心波长为808nm、885nm的激光二极管作为泵浦源，对于掺Yb3+离子的激光晶体可选用中心波长为940nm的激光二极管作为泵浦源。
通过改变准直透镜在与光轴垂直的平面内的位置，可获得具有不同偏心程度的环形泵浦光：改变准直透镜的位置，从而改变环形泵浦光的偏心程度，就可获得含有多个呈一维排列的光学涡旋的阵列激光输出，光学涡旋的个数可通过控制准直透镜的偏移量大小进行精确控制，本发明通过该激光器可获得光学涡旋呈一维排列的双涡旋、三涡旋和四涡旋阵列激光输出。
相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：
1、本发明结构简单紧凑、腔长极短，不需要在激光器中插入额外的光学元件便可直接获得涡旋激光阵列输出，有助于实现激光器的小型化和集成化，具有重要的应用前景。
2、本发明输出光的光学质量好，光学转化效率高，而且仅通过移动准直透镜的位置和升高泵浦功率就可以获得满足需要的线性涡旋阵列激光输出，操作简单灵活，成本低廉。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为准直透镜偏移量为0时获得激光的光场分布图；
图3为准直透镜的偏移量为0时获得激光的干涉结果图；
图4为准直透镜的偏移量为40μm时获得激光的光场分布图；
图5为准直透镜的偏移量为40μm时获得激光的干涉结果图；
图6为准直透镜的偏移量为80μm时获得激光的光场分布图；
图7为准直透镜的偏移量为80μm时获得激光的干涉结果图；
图8为准直透镜的偏移量为120μm时获得激光的光场分布图；
图9为准直透镜的偏移量为120μm时获得激光的干涉结果图。
附图标记：泵浦源1，准直透镜2，环形聚焦透镜3，激光晶体4，输出耦合镜5。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明包括依次设置的泵浦源1、准直透镜2、环形聚焦透镜3、激光晶体4和输出耦合镜5。
所述泵浦源1与环形聚焦透镜3固定在同一水平光轴上(即X轴)；所述准直透镜2安装于三维调整架上，以使准直透镜2在与水平光轴方向垂直的平面(即Y轴和Z轴所形成的平面)内可移动。准直透镜2和环形聚焦透镜3的焦距均为8mm，准直透镜2和环形聚焦透镜3的间距为70mm。
所述激光晶体4和输出耦合镜5通过夹具紧密结合在一起共同构成激光谐振腔，且激光晶体4朝向环形聚焦透镜3；所述激光谐振腔位于环形聚焦透镜3的焦点后0.3mm处，激光谐振腔相对于水平面呈倾斜设置，且激光谐振腔的输出激光光轴与水平面之间的夹角为1°。
本实施例中，所述激光晶体4选取Nd:YAG/Cr4+:YAG复合晶体；Nd:YAG/Cr4+:YAG复合晶体是由Nd:YAG晶体和Cr4+:YAG晶体通过键合扩散技术制备而成的复合晶体。Nd:YAG晶体的厚度为3mm，Nd3+离子的掺杂浓度为1at.％；Cr4+:YAG晶体为调Q晶体，可形成脉冲激光，Cr4+:YAG晶体的厚度为0.5mm，初始透过率可选择为90％。
所述激光晶体4朝向环形聚焦透镜3的一面镀有对入射的泵浦波长808nm的高透膜和对形成的激光波长1064nm的高反膜，输出耦合镜5与激光晶体4接触的表面镀有对形成的激光波长1064nm的部分反射膜；所述部分反射膜对1064nm激光波长的反射率为70％。
本实施例中，所述泵浦源1为经过光纤耦合连续输出的工作波长为808nm的激光二极管，纤芯的直径为400μm，数值孔径为0.22。
本发明的光路如下：从泵浦源1发出的泵浦光先经过准直透镜2进行准直，再通过环形聚焦透镜3聚焦并整形为空心光束，然后输出传播方向偏离光轴的偏心环形泵浦光，该偏心环形光泵浦经过倾斜设置的激光谐振腔后输出含有多个光学涡旋的一维涡旋阵列激光。
本发明的实验方法如下：
固定激光谐振腔的位置不变，使准直透镜2仅沿Z轴方向移动，并将准直透镜2的偏移距离记为Δz。在泵浦功率较高的条件下，改变Δz的值可得到多种一维涡旋阵列激光输出。
当Δz等于0μm时，经过聚焦整形的环形泵浦光沿泵浦光轴以小角度倾斜入射到倾斜的激光晶体4的背面，在泵浦功率较高时，可得到光场分布为椭圆环状的双涡旋激光输出，如图2所示；该激光通过马赫-曾德尔干涉仪(MZ干涉仪)与平面参考光进行干涉，获得的干涉条纹如图3所示，干涉结果显示，该激光的相位分布包含两个相位奇点，是具有两个相反拓扑荷的双涡旋激光。
当Δz等于40μm时，经过聚焦整形的泵浦光为偏心的环形光束，此时偏心程较小，此条件下得到的激光为具有两个空心结构的双涡旋激光，如图4所示；通过MZ干涉仪将获得的涡旋阵列激光与平面光进行干涉，干涉结果如图5所示，该激光的相位分布同样包含两个相位奇点，是具有两个相反拓扑荷的双涡旋激光。
当Δz等于80μm时，经过聚焦整形的偏心环形泵浦光的偏心程度变大，此条件下得到的激光为具有三个空心结构的三涡旋激光，如图6所示；通过MZ干涉仪将获得的涡旋阵列激光与平面光进行干涉，干涉结果如图7所示，该激光的相位分布包含三个相位奇点，是具有三个拓扑荷的三涡旋激光，相邻两个拓扑荷的符号相反。
当Δz等于120μm时，经过聚焦整形的偏心环形泵浦光的偏心程度进一步增高，此条件下得到的激光为具有四个空心结构的四涡旋阵列激光，如图8所示；通过MZ干涉仪将获得的涡旋阵列激光与平面光进行干涉，干涉结果如图9所示，该激光的相位分布包含四个相位奇点，是具有四个拓扑荷的四涡旋激光，相邻两个拓扑荷的符号相反。
经上述验证，通过本发明得到的空心光均为涡旋阵列激光。
通过本发明获得的一维涡旋阵列激光还具有可观的光学转化效率和脉冲峰值功率。在入射泵浦功率固定为5.66W不变的条件下，当Δz等于0时，得到的椭圆环状涡旋激光的功率为0.853W，相应的光学转化效率为15.1％，峰值功率达到6.16kW；当Δz等于40μm时，对应的双涡旋激光的功率为0.829W，光学转化效率为14.6％，峰值功率为5.97kW；当Δz等于80μm时，三涡旋激光的功率为0.799W，光学转化效率为14.1％，峰值功率为5.74kW；当Δz等于120μm时，获得的四涡旋激光的功率为0.759W，光学转化效率为13.4％，峰值功率为5.56kW。因此，利用本发明可以获得具有高光学转化效率和高峰值功率的可控一维涡旋阵列激光。
此外，当继续升高泵浦源1的功率，通过调节准直透镜2的水平偏移量Δz还可以获得涡旋个数更多的一维涡旋阵列激光。

Claims (8)

1.一种可调控一维涡旋阵列激光被动调Q微片激光器，其特征在于：包括依次设置的泵浦源、准直透镜、环形聚焦透镜和激光谐振腔；所述泵浦源与环形聚焦透镜固定在同一水平光轴上；所述准直透镜安装于三维调整架上，以使准直透镜在与水平光轴方向垂直的平面内可移动；所述激光谐振腔相对于水平面呈倾斜设置，激光谐振腔的输出激光光轴与水平面之间的夹角为0.5°～5°；光路如下：从泵浦源发出的泵浦光先经过准直透镜进行准直，再通过环形聚焦透镜聚焦并整形为空心光束，然后输出传播方向偏离光轴的偏心环形泵浦光，该偏心环形光泵浦经过倾斜设置的激光谐振腔后输出含有多个光学涡旋的一维涡旋阵列激光。
2.如权利要求1所述的一种可调控一维涡旋阵列激光被动调Q微片激光器，其特征在于：所述激光谐振腔采用镀膜的激光晶体，所述激光晶体朝向环形聚焦透镜的正面镀有对入射的泵浦波长的高透膜和对形成的激光波长的高反膜，所述激光晶体的背面镀有对形成的激光波长的部分反射膜。
3.如权利要求1所述的一种可调控一维涡旋阵列激光被动调Q微片激光器，其特征在于：所述激光谐振腔包括通过夹具紧密结合在一起的激光晶体和输出耦合镜，且激光晶体朝向环形聚焦透镜；所述激光晶体朝向环形聚焦透镜的一面镀有对入射的泵浦波长的高透膜和对形成的激光波长的高反膜，输出耦合镜与激光晶体接触的表面镀有对形成的激光波长的部分反射膜。
4.如权利要求2或3所述的一种可调控一维涡旋阵列激光被动调Q微片激光器，其特征在于：所述部分反射膜的反射率为50％～95％。
5.如权利要求2或3所述的一种可调控一维涡旋阵列激光被动调Q微片激光器，其特征在于：所述激光晶体为掺稀土离子的激光晶体。
6.如权利要求2或3所述的一种可调控一维涡旋阵列激光被动调Q微片激光器，其特征在于：所述激光晶体选取Nd:YAG/Cr4+:YAG复合晶体；Nd:YAG/Cr4+:YAG复合晶体由Nd:YAG晶体和Cr4+:YAG晶体通过键合扩散技术制备而成的复合晶体。
7.如权利要求1所述的一种可调控一维涡旋阵列激光被动调Q微片激光器，其特征在于：所述激光谐振腔位于环形聚焦透镜的焦点后0.2～0.5mm处。
8.如权利要求1所述的一种可调控一维涡旋阵列激光被动调Q微片激光器，其特征在于：所述泵浦源采用激光二极管。
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Direct generation of vector vortex beams with switchable radial and azimuthal polarizations in a monolithic Nd:YAG microchip laser;Hong-Sen He 等;《Applied Physics Express》;20170418(第10期);第1-4页 *

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