CN112987321B - 一种生成高功率涡旋激光的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生成高功率涡旋激光的方法和装置。本发明主要是利用连续表面变形镜来拟合环形的螺旋面形，针对非稳腔激光器出射的环形光场可以直接生成高功率涡旋激光，对于其他激光器出射的实心光场，需要将其预整形为环形光场，再加载到连续表面变形镜上生成高功率涡旋激光。装置中有自适应光学系统，在生成高功率涡旋激光之前可以校正系统和输入光场的像差，得到高质量的入射光场。该方法采用环形结构的光场生成涡旋激光具有抑制旁瓣的优点，连续表面变形镜还可以承受高功率激光，反射式结构还可以解决宽带激光色散的问题，面形变化灵活，可以生成不同模式的涡旋激光。该方法操作简单，在光学加工，粒子捕获等领域有很大的应用前景。

Description

一种生成高功率涡旋激光的方法和装置

技术领域

本发明属于光束整形领域，具体涉及一种使用连续表面变形镜生成高功率涡旋激光的方法和装置

背景技术

涡旋光束是一种具有连续螺旋相位分布、光束中心为相位奇点、中心光强始终为零的光束，又称暗中空光束，光束传播过程中光强呈现为环状分布。这种光束的每个光子具有

大小的轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)，其中l叫做拓扑荷数或模式数。这种角动量具有机械效应，在光学操纵上有很好的应用前景；由于其特殊的环形结构，也被广泛应用于光学加工领域；而且涡旋光束各模式之间是相互正交的，可以组成完备的正交基，在突破通信容量上也有巨大的潜力；另外在遥感探测和光学加密上也有很好的应用前景。

在这些应用中，涡旋光束的生成研究具有十分重要的意义，目前在涡旋光束生成领域也有很多报道。腔外涡旋光束生成主要是通过螺旋相位板、空间光调制器、数字微镜、超表面、全息法、光栅法和光子筛等方法来生成涡旋光束。螺旋相位板和超表面等方法只能生成单一模式的涡旋光束，针对不同的模式需要更换不同的光学元件。空间光调制器、光栅法和全息法等方法虽然能灵活生成不通模式的涡旋光束，但是衍射效率很低。上述大部分方法采用的都是相位型光学元件，不能承受高功率激光，而且对于宽带激光还有色散的影响。目前采用的螺旋反射镜，虽然能够生成高功率涡旋激光，但是只能生成一种模式。

连续表面变形镜在高功率激光整形上有很好的应用，由于连续表面变形镜不能拟合相位奇点，所以使用连续表面变形镜来拟合螺旋面形时，面形中心通常不加载电压，为一平面，对于高斯光场、平顶光场等使用连续表面变形镜来生成涡旋光束，其光场中心相位为平面波前，远场光场会出现中央主极大，这对涡旋光场的纯度有很大影响。

发明内容

本发明的目的在于解决上述生成方法的不足，由于连续表面变形镜不能拟合相位奇点，提出了使用连续表面变形镜拟合环形的螺旋面形来生成高功率涡旋激光。针对部分非稳腔出射的环形光场，可以很好的匹配连续表面变形镜拟合的环形螺旋相位。针对高斯光束，平顶光束等实心光场，可以先对其进行预整形，将实心光场预整形为环形光场，再加载到连续表面变形镜上来生成高功率涡旋激光。连续表面变形镜面形变化灵活，能够生成不同模式的螺旋面形，还能够承受高功率激光，反射式结构可以避免宽带激光色散问题，而且具有高衍射效率，同时，用环形光场生成涡旋光束具有抑制旁瓣的效果。

本发明采用的技术方案为：一种生成高功率涡旋激光的方法。采用连续镜面变形镜来拟合环形螺旋面形，避免不能拟合相位奇点的问题。

一种场生成高功率涡旋激光的方法，其步骤如下：

步骤一：首先判断输入光场为环形光场还是实心光场，若为环形光场直接进入步骤二；若为实心光场，则先对其进行预整形，在振幅上实现环形分布。

步骤二：使用自适应光学系统对系统像差和输入光场的像差进行预补偿。哈特曼波前传感器探测波前信息，计算连续表面变形镜加载的电压，然后连续表面变形镜加载所需的电压来补偿像差。

步骤三：给变形镜加载生成环形螺旋相位所需的电压，得到环形螺旋面形分布。经过预补偿的光束入射在变形镜上，得到螺旋波前，经透镜聚焦得到远场信息，在CCD相机前放置衰减片观察生成的涡旋激光。

进一步地，所述的激光器出射为环形光场时，也可以是其他类环形光场。

进一步地，所述的将实心光场预整形为环形光场时，不仅限于整形为环形光场，也可以是类环形光场。

进一步地，所述的连续表面变形镜生成环形螺旋面形，也可以是其他类环形螺旋面形形式。

一种生成高功率涡旋激光的装置，包括激光器、第一分光镜、光学整形板、反射镜、第一透镜、第二透镜、第一聚焦透镜、第二分光镜、连续表面变形镜、第三分光镜、第三透镜、第四透镜、第一衰减片、哈特曼波前传感器、第二聚焦透镜、第二衰减片、CCD相机、计算机；激光器和光学整形板之间放置有第一分光镜；第一分光镜和连续表面变形镜之间依次放置反射镜、第一透镜、第二透镜、第一聚焦透镜和第二分光镜；第二分光镜和哈特曼波前传感器之间依次放置第三分光镜、第三透镜、第四透镜和第一衰减片；第三分光镜和CCD相机之间依次放置第二聚焦透镜和第二衰减片；连续表面变形镜、哈特曼波前传感器、CCD相机三者与计算机相连。

进一步地，所述激光器出射的光场为环形光场时，所述的光学整形板不加载面形，为一平面镜，所述的第一聚焦透镜移除。所述激光器出射的为实心光场时，装置保持不变。

进一步地，所述的光学整形板对激光器出射的实心光场进行预整形，得到环形光场。其相位结构为平面波前的中心圆域有π的piston相移，其圆域半径与入射光场的尺寸相关。

进一步地，所述的第一透镜、第二透镜组成光束扩束系统，将预整形之后的光束扩束至连续表面变形镜生成涡旋光束所需的尺寸。

进一步地，所述的第一聚焦透镜用于获得经光学整形板整形后的远场光场。

进一步地，所述的连续表面变形镜用于对光场像差和系统像差进行预补偿，和加载生成不同模式涡旋光束所需的环形螺旋相位。其驱动器的排布方式不仅限于实施例所示的环形排布

进一步地，所述的第三透镜和第四透镜组成缩束系统，将光束缩束成适合哈特曼波前传感器探测所需的尺寸。

进一步地，所述的哈特曼波前传感器用于探测波前信息，可用曲率波前传感器，剪切干涉波前传感器，金字塔波前传感器等其他类型的波前传感器代替。

进一步地，所述的第二聚焦透镜用于获取经连续表面变形镜反射的远场光场。

进一步地，所述的第一衰减片、第二衰减片用于衰减光强，保护探测器件。

进一步地，所述的CCD相机置于第二聚焦透镜的焦平面上，用于接收生成的涡旋光束。

进一步地，所述的计算机与CCD相机、哈特曼波前传感器、连续表面变形镜相连，显示来自CCD相机接收的焦平面处的涡旋光束；显示哈特曼波前传感器探测的光斑阵列，并计算畸变波前；控制连续表面变形镜加载在各驱动器上的电压，生成补偿像差的面形和生成环形螺旋面形。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明装置加入了自适应光学系统，在生成涡旋激光之前，对光场像差和系统像差进行了预补偿，这样可以生成高质量的涡旋激光。

(2)本发明对于激光器出射的实心光场，加入了预整形模块，避免了生成的涡旋激光存在中央主极大的问题，提高了光的能量利用率。

(3)本发明采用环形光场来生成涡旋激光，具有抑制旁瓣的效果。

(4)本发明使用连续表面变形镜拟合环形螺旋面形匹配环形光场，避免的连续表面变形镜不能拟合相位奇点的问题。

(5)本发明使用的连续镜面，可以承受高功率激光。

(6)本发明使用的连续表面变形镜，为反射式变形镜，可以解决宽带激光的色散问题。

(7)本发明使用连续表面变形镜，可以控制驱动器电压生成不同的螺旋面形，生成不同模式的涡旋激光。

附图说明

图1是本发明生成涡旋激光的装置示意图。

图2是激光器出射的光场示意图，其中，图2(a)是非稳腔激光器出射的环形光场示意图，图2(b)是激光器出射的高斯光场示意图。

图3是对激光器出射的实心光场预整形后的光强和相位示意图。其中，图3(a)是光学整形板的相位结构示意图，图3(b)是预整形之后的光场示意图，图3(c)是预整形后的光场的相位示意图。

图4是连续表面变形镜的驱动器排布示意图。

图5是连续表面变形镜生成的拓扑荷数等于2的环形螺旋面形示意图。其中，图5(a)是平面示意图，图5(b)是三维结构示意图。

图6是图2(a)的环形光场照射图5的面形后的远场光强和远场光场相位示意图。其中，图6(a)是远场的光强示意图，图6(b)是远场光场的相位示意图。

图7是连续表面变形镜生成的拓扑荷数等于1的环形螺旋面形示意图。其中，图7(a)是平面示意图，图7(b)是三维结构示意图。

图8是图2(b)的实心光场预整形后的光场照射图7的面形后的远场光强和远场光场相位示意图。其中，图8(a)是远场的光强示意图，图8(b)是远场光场的相位示意图。

图中附图标记含义为：1为激光器、2为第一分光镜、3为光学整形板、4为反射镜、5为第一透镜、6为第二透镜、7为第一聚焦透镜、8为第二分光镜、9为连续表面变形镜、10为第三分光镜、11为第三透镜、12为第四透镜、13为第一衰减片、14为哈特曼波前传感器、15为第二聚焦透镜、16为第二衰减片、17为CCD相机、18为计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步说明

本发明采用连续镜面变形镜来拟合环形螺旋面形，避免相位奇点不能拟合的问题。针对部分非稳腔激光器出射的环形光场，可以很好的匹配环形螺旋面形，生成高功率涡旋激光。针对激光器出射的实心光场，直接使用连续表面变形镜生成涡旋光束，远场光场会出现中央主极大，造成环上的能量降低。所以先对其进行预整形为环形光场，再照射到连续表面变形镜生成的环形螺旋面形上，来生成高质量的高功率涡旋激光。同时环形光场对抑制旁瓣也有好的效果。

如图1所示，为本发明提出生成高功率涡旋激光的装置示意图。

实施例1：本实施例展示了针对非稳腔激光器出射的环形光场，使用连续表面变形镜加载拓扑荷数等于2的环形螺旋面形生成涡旋激光的结果。

对于非稳腔激光器出射的环形光场，图1中的装置移除第一聚焦透镜7，并且光学整形板3不加载面形，为反射镜。首先连续表面变形镜9电压置零，激光器1出射的环形光场经过第一透镜5和第二透镜6后，扩束至连续表面变形镜9所需的光束宽度，再经过第二分光棱镜8到达连续表面变形镜9上，经连续表面变形镜9和第二分光棱镜8反射，到达第三分光棱镜10，经第三分光棱镜10分光，一束光经过第二聚焦透镜15聚焦在CCD相机17上，并显示在计算机18上。另一束经过第三透镜11和第四透镜12组成的缩束系统，照射在哈特曼波前传感器14上，哈特曼波前传感器14探测环形光场经过系统的波前，显示在计算机18上。通过计算机18计算连续表面变形镜9所需的电压来补偿系统像差和光场像差。补偿完像差后，在连续表面变形镜9上加载生成环形螺旋面形所需的电压，然后在计算机18上观察第二聚焦透镜15聚焦在CCD相机17上的远场图像，即为得到的涡旋光束。

图4展示了连续表面变形镜9的驱动器排列方式，为圆对称结构，三个圆环，从内到外每个环上的驱动器个数依次为12、24、36，从内到外每个环的半径依次为R₁＝1cm，R₂＝1.523cm，R₃＝2.046cm。这里，驱动器采用的常见的圆形结构，每个驱动器具有相同的驱动函数，其表达式如下：

ω为交联值，d为驱动器间距，α是高斯指数，x_i，y_i分别表示第i个驱动器的横纵坐标。这里设置ω＝0.08，d＝0.523，α＝2.0。每个驱动器通过加载的电压来控制形变量。连续表面变形镜9拟合的面形可表示为：

V_i是第i个驱动器上加载的电压，m为驱动器的数量。图5为连续表面变形镜加载的拓扑荷数为2的环形螺旋结构，图5(a)为平面结构，图5(b)为三维结构。从图中可以看出拓扑荷数为2的波前为两个螺旋结构，连续表面变形镜9可以很好的拟合。

图2(a)展示了激光器1出射的环形光场，其表达式为：

r₁，r₂分别表示环形光场的内外半径。所示的环形光场经过扩束系统后，扩束成外径2cm，内径1cm的环形光场，扩束后的光束表达式为E′。扩束后的光场照射在连续表面变形镜9上，经连续表面变形镜9反射后获得螺旋相位，其表达式为：

E_DM(x,y)＝E′*exp(i*2ψ(x,y)) (4)

经过第二聚焦透镜15聚焦在CCD相机17上，其表达式可表示为：

f_foucs是第二聚焦透镜15的焦距，(x_far,y_far)表示焦面上的坐标。

图6(a)显示了远场的光强，其还是保持圆环结构，但圆环上有两个缺口，这是由于连续表面变形镜不能拟合螺旋波前的相位突变造成的。图5(b)显示了远场光场的相位，可以看出相位面中心位置处有两个奇点，这与连续表面变形镜9拟合的螺旋结构的拓扑荷数相对应。

实施例2：本实施例展示了激光器1出射的高斯光场经过预整形后，再使用连续表面变形镜9拟合拓扑荷数为1的环形螺旋面形来生成高功率涡旋激光。

对于实心光场，图1所示的装置保持不变。首先激光器1出射的高斯光场，经过第一分光镜2后，照射在光学整形板3上，经光学整形板3和反射镜4将光场送入第一透镜5和第二透镜6组成扩束系统，扩束后经第一聚焦透镜7聚焦在连续表面变形镜9上，在连续表面变形镜9所在平面上得到环形光场。经连续表面变形镜9反射至第二分光镜8，再经第二分光镜8反射至第三分光镜10分为两束光，一束经进入第三透镜11和第四透镜12组成的缩束系统，将光束缩束成哈特曼波前传感器14探测波前所需的尺寸。这时连续表面变形镜9电压置零，经哈特曼波前传感器14探测的波前信息，计算连续表面变形镜9补偿系统像差和光场像差所需的电压。连续表面变形镜加载补偿像差所需的电压后，得到高质量的输入光束。然后在连续表面变形镜9上加载生成环形螺旋面形所需的电压，经过补偿后的光束照射在连续表面变形镜9上得到螺旋波前，经第三分光镜10反射至第二聚焦透镜15上，经第二聚焦透镜15得到远场光场，显示在CCD相机17上。

本实施例激光器1出射高斯光场，其表达式为：

这里

ω₀是高斯光束在z＝0平面的束腰大小，z_R是瑞丽距离，k是波数。本实施例中高斯光束的束腰ω₀＝2mm。其光强如图2(b)所示。

图3(a)展示了光学整形板3的相位结构，其中心圆域有π的pistion相位变化，表达式为：

R_π为中心圆域π相位变化的半径，其大小为R_π＝0.825ω₀，满足这个尺寸的光学整形板，才能将对应的高斯光场整形为环形光场。高斯光束经过光学整形板之后，用夫琅禾费衍射公式表示远场为：

其中，f′_foucs为第一聚焦透镜的焦距，(x′,y′)为远场坐标。由(8)式可以看出高斯光束经过相位板后的远场，可以看作是圆环衍射与圆孔衍射相减的光场。

图3展示了预整形之后的光场和相位分布，图3(b)展示了预整形后环形光场，图3(c)展示了预整形后的光场相位分布，为球面波前。此时预整形之后的光场，虽然光强为环形分布，但相位不是螺旋分布，所以还不是涡旋光束。此时需要使用连续表面变形镜9来加载螺旋波前，使其相位为螺旋分布。从图3(c)可以看出预整形后的光场的相位为球面波，为一离焦像差。在给连续表面变形镜加载拟合环形螺旋面形的电压之前，先对预整形的环形光场进行预补偿，补偿光学系统的像差，和预整形之后的光场像差，之后利用连续表面变形镜9生成涡旋激光的流程和实施例1中的相同，这里不再赘述。

图7是连续表面变形镜拟合的拓扑荷数为1的环形螺旋面形，图7(a)为平面示意图，图7(b)为三维结构。图8是生成的涡旋激光的光强和相位，图8(a)为光强，其为圆环结构，环上有一区域的光强比其他位置的光强更大，这是由于连续表面变形镜不能拟合相位突变造成的。图8(b)显示了生成高功率涡旋光束的相位分布，可以看出相位面中心位置处有一个螺旋结构，一个奇点，这与连续表面变形镜拟合的环形螺旋结构的拓扑荷数相对应。

从上述两个实施例可以看出，使用连续表面变形镜可以很好的生成高功率涡旋激光。

本发明根据连续表面变形镜面形变化灵活，能够适合于宽带光束等特点，提出了使用连续表面变形镜来生成高功率涡旋光束。由于连续表面变形镜不能拟合相位奇点，所以使用连续表面变形镜来拟合环形螺旋面形，避免了不能拟合相位奇点的问题。对于部分非稳腔激光器出射的环形光场，与连续表面变形镜拟合的环形螺旋面形相对应，可以很好的生成涡旋激光。对于激光器出射的实心光场，提出了使用预整形的方法将实心光场先整形为环形光场，然后在连续表面变形镜上面加载环形螺旋相位来生成高功率涡旋光束。连续表面变形镜面形变化灵活，可以生成不同模式的涡旋光束。

本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡在本发明的精神和原则之内对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求保护范围内。

Claims (4)

1.一种生成高功率涡旋激光的方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一：首先判断输入光场为环形光场还是实心光场，若为环形光场直接进入步骤二；若为实心光场，则先对其进行预整形，在振幅上实现环形分布；

步骤二：使用自适应光学系统对系统像差和输入光场的像差进行预补偿，哈特曼波前传感器探测波前信息，计算连续表面变形镜加载的电压，然后连续表面变形镜加载所需的电压来补偿像差；

步骤三：给所述连续表面变形镜加载生成环形螺旋相位所需的电压，得到环形螺旋面形分布，经过预补偿的光束入射在所述连续表面变形镜上，得到螺旋波前，经透镜聚焦得到远场信息，在CCD相机前放置衰减片观察生成的涡旋激光，所述连续表面变形镜的驱动器为环形排布。

2.根据权利要求1所述的一种生成高功率涡旋激光的方法，其特征在于，环形光场是激光器出射的环形光场。

3.根据权利要求1所述的一种生成高功率涡旋激光的方法，其特征在于，将实心光场预整形为环形光场。

4.根据权利要求1所述的一种生成高功率涡旋激光的方法，其特征在于，所述连续表面变形镜生成环形螺旋面形。

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