CN113161854B - 一种高斯模式和拉盖尔-高斯模式可切换的激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高斯模式和拉盖尔‑高斯模式可切换的激光器，激光全反镜和激光输出镜构成的激光谐振腔内放置大焦距的内腔准直透镜和内腔聚焦透镜，内腔准直透镜产生腔内大光斑，经内腔聚焦透镜聚焦后形成明显的球差。由于球差的存在，当激光输出镜位于边缘光线的实际焦点时，中心光线损耗较大而边缘光线损耗较小，激光器能够以拉盖尔‑高斯模式运转，产生稳定的拉盖尔‑高斯模式的输出；当激光输出镜位于中心光线的实际焦点时，中心光线损耗较小而边缘光线损耗较大，激光器能够以高斯模式运转，实现拉盖尔‑高斯模式与高斯模式的选择切换。

Description

一种高斯模式和拉盖尔-高斯模式可切换的激光器
技术领域
本发明涉及激光器领域，尤其涉及一种高斯模式和拉盖尔-高斯模式可切换的激光器。
背景技术
拉盖尔-高斯光束(Laguerre-Gaussianbeam,LG beam)是一种具有暗中空光强分布的特殊光束，其轨道角动量和传输特性等方面与高斯光束具有明显区别，在光镊、量子通信、微纳制造等方面具有重要应用。
目前的拉盖尔-高斯光束的产生方法多是在激光谐振腔的腔镜上人为制备一个微小的缺陷，使得光束中心处产生明显的损耗，从而抑制激光增益较强的高斯TEM00模式，使拉盖尔-高斯模式起振[1]。这类方法存在一个明显的问题：若要提高输出功率，需增加泵浦功率，在高泵浦功率下，腔内的激光功率密度很高，一方面人为制备小尺寸的缺陷对于工艺要求很高，制备难度大；另一方面，制备的缺陷很容易被腔内的高强度激光进一步破坏，使激光模式发生变化，甚至不能继续工作。此外，缺陷的存在对拉盖尔-高斯模式也必然产生损耗，导致损耗较大，转换效率较低。因此，基于在器件表面制备人工缺陷的方法难以产生高功率的拉盖尔-高斯模式输出。
2020年，日本研究人员提出一种基于环形泵浦光的拉盖尔-高斯模式激光的产生方法：由于拉盖尔-高斯模式和高斯模式的传输特性不同，通过合理设计环形泵浦光的尺寸，能够使泵浦光与拉盖尔-高斯模式的交叠效率高于泵浦光与高斯模式的交叠效率，从而产生拉盖尔-高斯模式的激光输出[2]。
尽管如此，拉盖尔-高斯模式的交叠效率也是处在仅仅比高斯模式的交叠效率大几个百分点的水平，在高泵浦功率下，随着激光增益的提高，无法完全抑制高斯光束，能够实现的拉盖尔-高斯光束输出功率也仅能达到一百多个mW的水平。
参考文献
[1]A.J.Lee,T.Omatsu,and H.M.Pask,“Direct generation of a first-Stokesvortex laser beam from a self-Raman laser,”Opt.Express 21,12401–12409(2013).
[2]Yuanyuan Ma,Andrew J.Lee,Helen M.Pask,Katsuhiko Miyamoto,andTakashige Omatsu,"Direct generation of 1108nm and 1173nm Laguerre-Gaussianmodes from a self-Raman Nd:GdVO4 laser,"Opt.Express 28,24095-24103(2020).
发明内容
本发明提供了一种高斯模式和拉盖尔-高斯模式可切换的激光器，本发明在腔内形成大口径的光束以增大球差，利用谐振腔内透镜的球差使不同口径的光束在光轴上聚焦位置不同的特点，通过控制反射镜与透镜的距离，直接调控中心光束与边缘光束损耗的相对大小，从而实现高斯模式和拉盖尔高斯模式可切换的目的；大口径光束产生的大球差使高斯模式与拉盖尔-高斯模式更容易被分辨，便于模式的选择，详见下文描述：
一种高斯模式和拉盖尔-高斯模式可切换的激光器，所述激光器包括：泵浦源、激光全反镜、激光增益介质、腔内准直透镜、腔内聚焦透镜、激光输出镜，
腔内准直透镜与激光增益介质的间距接近腔内准直透镜的焦距；腔内聚焦透镜与激光输出镜的间距接近腔内聚焦透镜的焦距；
腔内准直透镜和腔内聚焦透镜之间的激光为准直状态，利用聚焦透镜球差导致的中心光线与边缘光线实际焦距不同的特点，微调激光输出镜与腔内聚焦透镜的间距，当边缘光线与主光轴的交点落在激光输出镜的反射面上时，激光全反镜和激光输出镜构成的激光谐振腔对中空的拉盖尔-高斯模式具有低损耗，经过多次往返后激光谐振腔内形成拉盖尔-高斯模式的激光振荡；微调激光输出镜与腔内聚焦透镜的间距，使之等于中心光线焦距时，形成高斯模式的激光振荡；
所用腔内准直透镜有较大的焦距，形成较大的准直光斑光斑尺寸，以加强腔内聚焦透镜产生的球差，使拉盖尔-高斯模式和高斯模式光路之间差别大，模式容易被分辨选择。
其中，所述腔内准直透镜和腔内聚焦透镜均采用球面透镜，或采用球面反射镜。
进一步地，所述激光全反镜镀有泵浦光波长增透、激光波长高反的膜系；激光增益介质、腔内准直透镜和腔内聚焦透镜均镀有泵浦光和激光波长增透膜系，激光输出镜镀有对激光波长部分透过的膜系。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1)本发明利用透镜球差导致的中心光线与边缘光线实际焦距不同的特点，通过改变激光输出镜与透镜之间的距离，实现对中心光线与边缘光线损耗相对大小的调控，以简单便捷的方法实现对空心拉盖尔-高斯模式与高斯模式之间的选择切换；
2)本发明引入损耗产生拉盖尔-高斯光束的方法无需在光学器件表面引入缺陷，因此运转更为稳定，不易损伤，允许激光器以较高功率运转。
3)本发明通过增大腔内光束口径，加强球差，使高斯模式与拉盖尔-高斯模式更容易被分辨，便于模式的选择切换。
附图说明
图1为一种高斯模式和拉盖尔高斯模式可切换的激光器的结构示意图；
图2为一种高斯模式和拉盖尔高斯模式可切换的激光器中谐振腔内的TEM00模式光斑尺寸示意图；
图3为一种高斯模式和拉盖尔高斯模式可切换的激光器中聚焦透镜球差的示意图。
附图1中，各标号所代表的部件列表如下：
1：泵浦源； 2：泵浦耦合透镜组；
3：激光全反镜； 4：激光增益介质；
5：腔内准直透镜； 6：腔内聚焦透镜；
7：激光输出镜。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
一种高斯模式和拉盖尔-高斯模式可切换的激光器，该激光器包括：泵浦源1、泵浦耦合透镜组2、激光全反镜3、激光增益介质4、腔内准直透镜5、腔内聚焦透镜6、激光输出镜7。
其中，激光全反镜3镀有泵浦光波长增透、激光波长高反的膜系；激光增益介质4、腔内准直透镜5和腔内聚焦透镜6均镀有泵浦光和激光波长增透膜系，激光输出镜7镀有对激光波长部分透过的膜系。
泵浦源1发出泵浦光，经过泵浦耦合透镜组2聚焦进入激光增益介质4，被激光增益介质4吸收，产生激光增益，在激光全反镜3和激光输出镜7构成的谐振腔内产生激光振荡，经激光输出镜7输出。
腔内准直透镜5具有较大的焦距(例如：500mm)，腔内准直透镜5与激光增益介质4的间距大约为其焦距；腔内聚焦透镜6具有较小的焦距(例如：50mm)，腔内聚焦透镜6与激光输出镜7的间距约为腔内聚焦透镜6的焦距。此时腔内激光束腰位于激光增益介质4附近，经过焦距较大的腔内准直透镜5的准直作用形成较大的光斑；腔内准直透镜5和腔内聚焦透镜6之间的激光为准直状态，在腔内聚焦透镜6表面也有较大的光斑。当腔内聚焦透镜6的焦距较小(曲率较大)时，由于入射其表面的激光光斑尺寸较大，会产生较为明显的球差，即光束边缘的光线相比光束中心的光线受到更强的汇聚作用，即边缘光线与主光轴的交点相比腔内聚焦透镜6的理论焦点会更靠近腔内聚焦透镜6。
此时，微调激光输出镜7与腔内聚焦透镜6的间距，当边缘光线与主光轴的交点正好落在激光输出镜7的反射面上时，激光全反镜3和激光输出镜7构成的激光谐振腔对中空的拉盖尔-高斯模式具有较低的损耗；而由于中心光线与主光轴的交点不在反射面上，不能形成自再现，经过多次往返后逸出激光谐振腔，即激光谐振腔对高斯模式存在较大的几何偏振损耗；激光谐振腔内形成拉盖尔-高斯模式的激光振荡。
若微调激光输出镜7与腔内聚焦透镜6的间距，使之等于中心光线焦距时，则边缘光线存在较大损耗，激光器以基模高斯模式运转。
具体实现时，腔内准直透镜5和腔内聚焦透镜6可采用球面透镜，也可采用球面反射镜代替，缩短光路长度。
实施例2
下面结合具体的参数对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：
本发明实施例提供了一种高斯模式和拉盖尔高斯模式可切换的激光器，该激光器包括：泵浦源1、泵浦耦合透镜组2、激光全反镜3、激光增益介质4、腔内准直透镜5、腔内聚焦透镜6、及激光输出镜7。
其中，泵浦源1为808nm半导体激光器，光纤芯径200μm；泵浦耦合透镜组2的聚焦比例1:1，镀808nm泵浦光波长增透膜系；激光全反镜3为平镜，镀808nm泵浦光增透、1064nm激光高反膜系；激光增益介质4为a切割Nd:YVO4晶体，4×4×10mm3，掺杂浓度0.3at.％，镀有808nm泵浦光、1064nm激光增透膜系；腔内准直透镜5和腔内聚焦透镜6均为K9材质的球面平凸透镜，焦距分别为500mm和50mm，均镀有1064nm激光增透膜系；激光输出镜7为平镜，镀1064nm激光透过率T＝20％膜系。
泵浦源1发射泵浦光功率10W时，激光增益介质4中热透镜焦距为～100mm。激光全反镜3靠近激光增益介质4放置；腔内准直透镜5焦距500mm，与激光增益介质4距离为500mm；腔内聚焦透镜6的焦距50mm，与腔内准直透镜5之间距离10mm，与激光输出镜7之间距离～50mm，可微调。
在此情况下，腔内准直透镜5和腔内聚焦透镜6之间的准直高斯光束半径达到2.1mm，如图2所示，即光束直径4.2mm。经过ZEMAX计算可知，对于焦距50mm的K9材质平凸透镜，直径1mm、2mm、3mm和4mm的正入射平行光球差分别为0.002182mm、0.08821mm、0.199mm和0.3545mm，即边缘光束和中心光束的有效焦距相差0.35mm以上。
图3给出直径分别2mm和4mm的光束经聚焦后的实际焦点位置。当激光输出镜7处于边缘光束的实际焦点附近时，拉盖尔-高斯模式具有相对小的损耗，而高斯模式损耗较大，能够使激光器以拉盖尔高斯-模式运转；微调激光输出镜7的位置，使之位于中心光束的实际焦点附近，则高斯模式损耗较小而拉盖尔-高斯模式损耗较大，此时激光器以高斯模式运转。
上述实施例中，激光增益介质可以是Nd:YVO4、Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石)、Ti:Sa(掺钛蓝宝石)等激光晶体，也可以是掺Nd、掺Yb(镱)、掺Er(铒)或其他发光离子的激光玻璃、激光陶瓷等常用激光增益介质，相应的泵浦源波长和镀膜波长与激光增益介质的吸收峰和发射峰对应即可，本发明实施例对此不做限制。
本发明实施例对腔内准直透镜5的焦距和面型不做具体限制，只要选择合适的焦距和面型，能够提供较大的腔内准直光斑以使光束聚焦后产生明显的球差即可。
本发明实施例对腔内聚焦透镜6的焦距和面型不做具体限制，只要选择合适的焦距和面型，使光束聚焦后产生明显的球差即可。
综上所述，本发明实施例的目的在于利用球差使光束中心和边缘实际焦点位置不同的性质，通过微调反射镜和透镜之间的相对位置控制高斯模式与拉盖尔-高斯模式损耗的相对大小，使激光器能够以拉盖尔-高斯模式运转，并实现拉盖尔-高斯模式与高斯模式之间选择切换的效果。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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)

1.一种高斯模式和拉盖尔-高斯模式可切换的激光器，其特征在于，所述激光器在腔内形成大口径的光束以增大球差，利用谐振腔内透镜的球差使不同口径的光束在光轴上聚焦位置不同的特点，通过控制反射镜与透镜的距离，直接调控中心光束与边缘光束损耗的相对大小，实现高斯模式和拉盖尔高斯模式可切换，所述激光器包括：泵浦源、激光全反镜、激光增益介质、腔内准直透镜、腔内聚焦透镜、激光输出镜，
腔内准直透镜与激光增益介质的间距接近腔内准直透镜的焦距；腔内聚焦透镜与激光输出镜的间距接近腔内聚焦透镜的焦距；
腔内准直透镜和腔内聚焦透镜之间的激光为准直状态，利用聚焦透镜球差导致的中心光线与边缘光线实际焦距不同的特点，微调激光输出镜与腔内聚焦透镜的间距，当边缘光线与主光轴的交点落在激光输出镜的反射面上时，激光全反镜和激光输出镜构成的激光谐振腔对中空的拉盖尔-高斯模式具有低损耗，经过多次往返后激光谐振腔内形成拉盖尔-高斯模式的激光振荡；微调激光输出镜与腔内聚焦透镜的间距，使之等于中心光线焦距时，形成高斯模式的激光振荡；
所用腔内准直透镜有较大的焦距，形成较大的准直光斑尺寸，以加强腔内聚焦透镜产生的球差，使拉盖尔-高斯模式和高斯模式光路之间差别大，模式容易被分辨选择。
2.根据权利要求1所述的一种高斯模式和拉盖尔-高斯模式可切换的激光器，其特征在于，所述腔内准直透镜和腔内聚焦透镜均采用球面透镜，或采用球面反射镜。
3.根据权利要求1所述的一种高斯模式和拉盖尔-高斯模式可切换的激光器，其特征在于，所述激光全反镜镀有泵浦光波长增透、激光波长高反的膜系；激光增益介质、腔内准直透镜和腔内聚焦透镜均镀有泵浦光和激光波长增透膜系，激光输出镜镀有对激光波长部分透过的膜系。
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