CN112909721B - 一种腔内同时调控激光横模和纵模的方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种腔内同时调控激光横模和纵模分布的方法与系统。本发明中所提及系统由指令输入模块，连接模块，温度控制模块，泵浦模块，谐振腔模块，激光调控模块组成。通过指令输入模块输出指令，并由连接模块将指令传输给泵浦源模块、谐振腔模块以及激光调控模块，同时温度模块可监测并控制各模块中器件的工作温度。通过改变指令输入模块中的输入指令，即可快速实时调谐生成的激光束的横模和纵模。本发明所采用的系统结构稳定，操作方便，可作为结构激光源应用于相干探测及相干光通讯等相关领域。

Description

一种腔内同时调控激光横模和纵模的方法与系统

技术领域

本发明属于激光技术领域，涉及一种腔内同时调控激光横模和纵模的方法与系统。

背景技术

激光因具有良好的时间和空间相干性被广泛地用于军事、医疗、通讯等领域。实际激光器输出的激光大多具有多个纵模和多个横模，但对于许多应用，人们需要激光器输出单一纵模(单频)或者单一横模(大多数为基横模)的激光。因此需要对激光器的横模和纵模进行调控。

对激光的纵模调控可以获得单频激光。单频激光是指具单一纵模的激光，可应用于引力波探测、相干光通信、激光成像雷达、激光测风雷达等系统中。通常谐振腔中不同纵模有着近乎相同的损耗，但由于频率的差异而具有不同的增益。因此扩大和充分利用相邻纵模间的增益差，或人为引入损耗差是进行纵模选择的有效途径。常见的固体激光器中单频激光的生成方法主要有短腔法、腔内插入标准具法、扭转模腔法、注入锁定法以及环形腔法。

对激光的横模调控可以获得具有特殊相位、偏振分布的结构光束，如涡旋光束、矢量光束、矢量涡旋光束等。其中，矢量涡旋光束是一种具有横截面偏振态各向异性分布的结构光场同时携带有轨道角动量，是涡旋光束和矢量光束的普适形式。具有轴对称偏振态分布的矢量光束是麦克斯韦方程组在柱坐标系下的本征解，常见的矢量涡旋光束有径向偏振光和角向偏振光等。矢量涡旋光束的横截面光强分布呈一中空环状，中心处由于具有偏振奇点而无光强。矢量涡旋光束的这些特性，使得其在很多领域都有诸多应用，例如，不同阶次的矢量涡旋光束由于携带有不同的偏振拓扑信息量，可用来进行编码以实现高维数据传输；此外，矢量涡旋光束在表面等离子体激发、光学扳手、高分辨率成像等领域也有重要的应用价值。目前矢量涡旋光束的生成方法主要可以分为两种，即腔内生成法和腔外转化法。腔内法生成即在激光谐振器中加入某些光学元件，通过模式选择使得激光器以矢量光束模式振荡输出。腔外转化法分为两种，其一通过光学元件直接将高斯光束转换为矢量光束，其二则是通过涡旋光束或厄米高斯光束来相干合成矢量涡旋光束。相比于腔外法，腔内法对于光路的调节精细程度要求较高，但优点在于集成度高。

在许多实际应用中，常常需要对激光横模和纵模的同时调控，以满足应用的需求。例如，在测量一个旋转体的三维速度场时，需包括对直线运动的线性速度和旋转的角向速度的测量。线性速度的测量可以通过单频激光的多普勒效应得到，而角向速度的测量则可以通过矢量涡旋光束的旋转多普勒效应得到。然而，现有的激光腔内调控技术通常只关注对单一纵模或单一横模的调控，还没有腔内同时横纵模调控的报道，这极大的限制了新型结构激光场的实际应用。因此在激光谐振腔内同时调控激光的横模和纵模，使激光光源直接出射单纵模矢量涡旋光束，是当前该领域有待解决的关键问题之一。

发明内容

有鉴于此，本发明公开了一种腔内同时调控激光横模和纵模分布的方法与系统。其目的在于在激光谐振腔内直接调控振荡的横模与纵模，以生成单频矢量涡旋光束。其目的亦在于，解决激光谐振腔外多次转化系统的装置复杂的问题。

本发明的一种腔内同时调控激光横模和纵模分布的方法，通过改变指令输入模块中的输入指令，即可快速实现生成的矢量涡旋光束的偏振态分布的快速改变(如径向偏振变为角向偏振，角向偏振变为径向偏振等)以及纵模选择(单频)。

本发明的一种腔内同时调控激光横模和纵模分布的系统，其具备：

指令输入模块，用于将使用者的指令转化为控制信号；

连接模块，用于将控制信号作用于相应器件；

温度控制模块，受连接模块控制，用于控制相应器件的工作温度；

泵浦模块，受连接模块控制，用于产生泵浦光，给激光增益介质注入能量；

谐振腔模块，受连接模块控制，为环形腔，包括镜片、增益介质等器件，所述增益介质的工作温度受温度控制模块控制；

激光调控模块，包括腔内横模转换器件及腔内单向导通器件，受连接模块控制，生成单频且横模分布连续可调谐的矢量涡旋光束。

所述腔内横模转换器件包括两个相同的液晶聚合物光栅，其中一片用于实现将线偏振高斯光转换为矢量涡旋光束，另一片用于将矢量涡旋光束转换回线偏振高斯光束，实现谐振腔内的模式自再现，液晶聚合物光栅的主轴角度受连接模块控制，所述两个液晶聚合物光栅的工作温度受温度控制模块控制；

所述单向导通器件为一个声光调制器，其原理在于声光调制器对于正向与逆向振荡的激光具有不同的布拉格衍射角，所述声光调制器的启动与停止受连接模块控制；所述声光调制器的工作温度受温度控制模块控制。

本发明具有以下有益效果：

(1)装置稳定，集成度高，无需增加腔外模式转换装置。

(2)可生成特定阶次且偏振态任意分布的矢量涡旋光束。

(3)输出的矢量涡旋光束可为单频窄线宽激光。

附图说明

附图1为1-3阶径向偏振矢量光束及其偏振态分布。

附图2为本发明实例提供的系统中各个模块的工作关系。

附图3为本发明实例提供的系统的主要结构示意图，其中：1为泵浦源，2、3为耦合透镜，4、6、7、8、9为腔镜，5为增益介质，10为声光调制器，11、12为两片液晶聚合物光栅。

附图4为本发明实例的实验结果图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做一详细的描述。

矢量涡旋光束是一种具有横截面偏振态各向异性分布且携带有轨道角动量的光束。矢量光束由于偏振态呈一定规律分布，因此通过加一个旋转偏振片即可确定其偏振态分布。附图1给出了1-3阶径向偏振矢量涡旋光束的光场分布，以及经不同主轴方向的检偏器后的光场分布。

单频激光，即单纵模激光，指谐振腔内只存在一个振荡的纵模。除了具有激光本身良好的单色性和方向性外，单频激光拥有更长的相干长度、更窄的谱线宽度。

本发明中横模调控的核心原理在于使用液晶聚合物光栅实现腔内激光自旋角动量和轨道角动量的交换。液晶聚合物光栅由主轴方向分布成一定规律的液晶分子构成，其入射面上的每一点可以等效为一个局部二分之一波片，当改变主轴方向与谐振腔内激光的偏振方向的夹角，可以生成不同偏振态分布。

本发明中纵模调控的核心原理在于使用环形谐振腔结构，利用声光调制器对正向及逆向传输的谐振光的布拉格衍射角的细微差异实现腔内模场的单向运转，进而消除空间烧孔效应，实现单频激光输出。

下面结合附图2和附图3，简要介绍本发明的具体实施方式构成。

本发明的具体实施构成包括指令输入模块、连接模块、泵浦源模块、谐振腔模块、激光调控模块、以及温度控制模块。其中：

所述指令输入模块，用于将使用者输入的操作指令转化为控制信号，其中，操作指令包括泵浦源所需加载的电流、声光调制器所需加载的射频功率以及增益介质和液晶聚合物光栅的理想工作温度，液晶聚合物光栅的主轴角度等。

所述连接模块，用于将控制信号作用于相应器件，控制激光系统的运行与停止、振荡激光的纵模分布以及输出矢量涡旋光束的横模分布；

所述温度控制模块，用于监测并控制激光谐振腔中增益介质和液晶聚合物光栅的温度；

所述泵浦源模块、谐振腔模块受连接模块控制，生成横模分布连续可调的单频矢量涡旋光束，其中，泵浦源模块包括泵浦源，谐振腔模块包括增益介质、两个45°镜、输出镜和两个折叠镜：

所述泵浦源1用于产生泵浦光，给激光增益介质注入能量；

所述增益介质5置于45°镜4后方的光路中，该增益介质可以为激光晶体材料，也可为激光陶瓷材料；

所述第一个45°镜4置于泵浦源发射的泵浦光的激光光路中，其对泵浦光高透，对谐振激光高反，用于实现谐振腔中泵浦光的注入；

所述第二个45°镜6置于增益介质后，其对泵浦光高透及谐振激光高反，用于滤去未吸收的残余泵浦光；

所述输出镜7置于第2个45°镜6后方的激光光路中，用于实现谐振激光的输出；

所述两个折叠镜9、10依次置于第一个45°镜4后，其表面镀有对谐振激光波段高反的介质膜，用于实现光路折叠；

所述激光调控模块，包括腔内横模转换器件及腔内单向导通器件，受连接模块控制，生成单频横模分布可调谐矢量涡旋光束，其中：

所述腔内横模转换器件包括两个相同的液晶聚合物光栅，其中：

第一个液晶聚合物光栅12置于第二个45°镜6后，其对振荡激光高透，用于将谐振腔内振荡的线偏振高斯光束转化矢量涡旋光束；

第二个液晶聚合物光栅11置于输出镜7后，其对振荡激光高透，用于将矢量涡旋光束转换成高斯光束，实现谐振腔内的模式自再现；

所述声光调制器10置于第一个45°镜4与折叠镜8中间的光路中，用于实现单纵模选择。

实施例：利用本发明所述方法与系统获得1645nm波段人眼安全3阶单频矢量涡旋 光束

图4(a)所示为实验获得的本发明所述系统直接输出的矢量涡旋光束的强度分布图，及其经过不同角度检偏器后的强度分布图，表明本发明的一种腔内同时调谐激光横模和纵模的方法与系统成功的实现了对激光场横模的调控，生成了3阶矢量涡旋光束。图4(b)所示为实验测得的由本发明所述系统输出的激光束经过共焦扫描干涉仪后的频谱图，可以明显看出一个扫描周期内只存在一个纵模，表明本发明的一种腔内同时调谐激光横模和纵模的方法与系统成功的实现了对激光场纵模的调控。

综上，本发明提供了一种腔内同时调谐激光横模和纵模的方法与系统，可迅速、快捷的生成横模分布可调谐的单频矢量涡旋光束。该系统操作简单，不同横模分布的单频矢量涡旋光束只需改变输入指令即可生成，无需其他腔外转换装置，相比现有技术具有较大进步。

以上内容虽然详细地描述了本发明，但本领域技术人员应知本发明不限于上述的描述。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上内容虽然详细地描述了本发明，但本领域技术人员应知本发明不限于上述的描述。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种腔内同时调控激光横模和纵模的系统，其特征在于，具备：

指令输入模块，用于将使用者的指令转化为控制信号；

连接模块，用于将控制信号作用于相应器件；

温度控制模块，受连接模块控制，用于控制相应器件的工作温度；

泵浦模块，受连接模块控制，用于产生泵浦光，给激光增益介质注入能量；

谐振腔模块，受连接模块控制，为环形腔，包括镜片和增益介质，且增益介质的工作温度受温度控制模块控制；

激光调控模块，包括腔内横模转换器件及腔内单向导通器件，受连接模块控制，生成单频且横模分布连续可调谐的矢量涡旋光束。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，泵浦源模块包括泵浦源，谐振腔模块包括增益介质、两个45°镜、输出镜和两个折叠镜：

所述泵浦源用于产生泵浦光，给激光增益介质注入能量；

所述增益介质置于45°镜后方的激光光路中，该增益介质可以为激光晶体材料，也可为激光陶瓷材料；

第一个45°镜置于泵浦源发射的泵浦光的激光光路中，其对泵浦光高透，对谐振激光高反，用于实现谐振腔中泵浦光的注入；

第二个45°镜置于增益介质后，其对泵浦光高透及谐振激光高反，用于滤去未吸收的残余泵浦光；

所述输出镜置于第2个45°镜后方的激光光路中，用于实现谐振激光的输出；

所述两个折叠镜依次置于第一个45°镜后，其表面镀有对谐振激光波段高反的介质膜，用于实现光路折叠。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，激光调控模块包括腔内横模转换器件及腔内单向导通器件：

所述腔内横模转换器件包括两个相同的液晶聚合物光栅，其中：

第一个液晶聚合物光栅置于第二个45°镜后，其对振荡激光高透，用于将谐振腔内振荡的线偏振高斯光束转化矢量涡旋光束；

第二个液晶聚合物光栅置于输出镜后，其对振荡激光高透，用于将矢量涡旋光束转换成高斯光束，实现谐振腔内的模式自再现；

所述单向导通器件为声光调制器，其置于第一个45°镜与折叠镜中间的激光光路中，用于实现单纵模选择；

上述器件受连接模块控制，进而生成单频横模分布可调谐矢量涡旋光束。

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