CN113258417B - 一种双波长涡旋光激光器 - Google Patents

一种双波长涡旋光激光器 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种双波长涡旋光激光器，涉及涡旋光激光器技术领域。不仅能够将泵浦光高效整形成环形光束，输出高功率、高光束质量的双波长涡旋光，而且具有结构简单、稳定性好的优点。该涡旋光激光器包括沿光传播方向依次设置的泵浦源、准直透镜、圆环达曼光栅、聚焦透镜、全反镜、第一增益介质、输入镜、第二增益介质和输出镜；全反镜、第一增益介质和输出镜共同构成主谐振腔，主谐振腔能够产生第一预设波长涡旋光；输入镜、第二增益介质和输出镜共同构成次谐振腔，次谐振腔能够产生第二预设波长涡旋光。本申请用于提升涡旋光激光器的性能。

Description

一种双波长涡旋光激光器
技术领域
本申请涉及涡旋光激光器技术领域，尤其涉及一种双波长涡旋光激光器。
背景技术
涡旋光束由于拥有特殊的空间结构光场，成为近年来研究的热点。拉盖尔-高斯光束(LG)是一种典型的涡旋光束，具有螺旋形波前位相的光束，位相因子为
Figure BDA0003059952600000011
(l为拓扑荷，
Figure BDA0003059952600000012
为方向角)。涡旋光束存在位相奇点，中心强度为零，光强通常呈环形分布。此外，涡旋光束中的每个光子携带lh(h为普朗克常量)的轨道角动量。基于以上特征，涡旋光束被广泛应用在光通信、光学微操控、超分辨成像、引力波探测、量子纠缠等领域。
涡旋激光的产生方式分为被动方法和主动方法。其中，被动方法是在激光器谐振腔外，采用特殊设计的光学元件或者光场参数调制元件，比如柱透镜、数字微镜、空间光调制器、螺旋相位板等，将基模高斯光束转化为涡旋光束。该方法的缺点是：产生涡旋光过程中伴随着能量的损耗和光束质量的下降，而且一般情况下由于插入的光学元件的损伤阈值较低，涡旋光无法实现大功率输出。主动方法是直接在激光谐振腔中获得涡旋光输出。主要方法有使用特殊的腔镜、利用热透镜效应进行模式选择或用环形光端面泵浦激光器等。其中，环形光端面泵浦激光器的缺点是：其泵浦光整形系统复杂程度高且稳定性低。另外，无论是被动法还是主动法产生的涡旋光仅限于单一波长输出，而随着对涡旋光的特性、应用等领域的研究逐渐深入，人们对涡旋光源提出了更高的要求。
发明内容
本申请的实施例提供一种双波长涡旋光激光器，不仅能够将泵浦光高效整形成环形光束，输出高功率、高光束质量的双波长涡旋光，而且具有结构简单、稳定性好的优点。
为达到上述目的，本申请的实施例提供了一种双波长涡旋光激光器，包括沿光传播方向依次设置的泵浦源、准直透镜、圆环达曼光栅、聚焦透镜、全反镜、第一增益介质、输入镜、第二增益介质和输出镜；所述全反镜、所述第一增益介质和所述输出镜共同构成主谐振腔，所述主谐振腔能够产生第一预设波长涡旋光；所述输入镜、所述第二增益介质和所述输出镜共同构成次谐振腔，所述次谐振腔能够产生第二预设波长涡旋光。
进一步地，所述泵浦源为808nm光纤耦合半导体激光器，泵浦方式为端面泵浦。
进一步地，所述第一增益介质为Nd:GdVO4晶体；所述第二增益介质为Yb:YAG晶体。
进一步地，所述Nd:GdVO4晶体的前表面镀有808nm和912nm的增透膜，所述Nd:GdVO4晶体的后表面镀有912nm的增透膜和808nm的高反膜；所述Yb:YAG晶体的两个通光面上镀有912nm和1030nm的增透膜。
进一步地，所述全反镜的两面均镀有808nm、1063nm和1341nm的增透膜，且其凹面镀有912nm的高反膜；所述输入镜的两面均镀有912nm的增透膜，且其凹面镀有1030nm的全反膜；所述输出镜允许至少一部分912nm和1030nm的涡旋光透过。
进一步地，所述第一增益介质为Nd:YAG晶体，所述第二增益介质为Yb:YAG晶体。
进一步地，所述Nd:YAG晶体的前表面镀有808nm和946nm的增透膜，所述Nd:YAG晶体的后表面镀有946nm的增透膜和808nm的高反膜；所述Yb:YAG晶体的两个通光面上镀有946nm和1030nm的增透膜。
进一步地，所述全反镜的两面均镀有808nm、1064nm和1319nnm的增透膜，且其凹面镀有946nm的高反膜；所述输入镜的两面均镀有946nm的增透膜，且其凹面镀有1030nm的全反膜；所述输出镜允许至少一部分946nm和1030nm的涡旋光透过。
进一步地，所述第一增益介质和所述第二增益介质均安装在晶体夹中，所述晶体夹采用紫铜材质，所述晶体夹通过水冷装置进行温度控制。
进一步地，所述圆环达曼光栅为一阶圆环达曼光栅。
本申请相比现有技术具有以下有益效果：
1、本申请实施例将一阶圆环达曼光栅插入到传统的端面抽运激光器系统中，便可将抽运光简单、高效整形成环形分布，降低了圆环泵浦光整形系统结构的复杂程度，并提高其稳定性。
2、本申请实施例采用腔内级联泵浦的方式，采用环形光端面泵浦第一块增益介质产生第一种波长模式为LG01的涡旋光，再在其腔内泵浦第二块增益介质产生第二种波长模式为LG01的涡旋光，最后输出高功率、高光束质量的模式为LG01双波长涡旋光。
3、本申请实施例不仅丰富了涡旋光激光器的种类，拓宽了涡旋光的应用，还可以进一步进行腔内非线性和频，获得新波长涡旋光直接输出。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例双波长涡旋光激光器的结构示意图；
图2为本申请实施例双波长涡旋光激光器中一阶圆环达曼光栅将高斯光束整形成圆环光斑的示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
实施例1：
参照图1，本申请实施例提供了一种双波长涡旋光激光器，包括沿光传播方向依次设置的泵浦源1、准直透镜2、圆环达曼光栅3、聚焦透镜4、全反镜5、第一增益介质6、输入镜7、第二增益介质8和输出镜9。其中，泵浦源1为808nm光纤耦合半导体激光器，泵浦方式为端面泵浦。准直透镜2和聚焦透镜4均为非球面透镜。808nm光纤耦合半导体激光器尾纤输出的泵浦光由准直透镜2准直后通过一阶圆环达曼光栅3，再由聚焦透镜4聚焦，将近似于平行光的泵浦光整形为环形泵浦光。一阶圆环达曼光栅将高斯光束整形成圆环泵浦光11，示意图如图2所示。
由于现有技术一般采用空光纤、多模光纤离焦耦合方式整形泵浦光来获得环形抽运光，上述方法均需要将半导体激光器输出的光束重新耦合进光纤结构中，整个抽运光转换系统结构复杂，且稳定性较低。因此，本申请实施例采用圆环达曼光栅3将抽运光简单、高效整形成环形分布，简化了圆环泵浦光整形系统的结构，并提高其稳定性。具体的，本申请实施例中的圆环达曼光栅3为一阶圆环达曼光栅。一阶圆环达曼光栅可以在聚焦光场形成环数为1且中心为暗的光斑，衍射效率理论上可以达到85％以上。
本申请实施例中的第一增益介质6为Nd:GdVO4晶体，第二增益介质8为Yb:YAG晶体。全反镜5、Nd:GdVO4晶体和输出镜9共同构成912nm的主谐振腔。输入镜7、Yb:YAG晶体和输出镜9共同构成1030nm的次谐振腔。输出镜9为双腔共用镜。
808nm光纤耦合半导体激光器端面泵浦Nd:GdVO4晶体产生模式为LG01、波长为912nm的涡旋光。然后利用产生的模式为LG01、波长为912nm的涡旋光在次谐振腔内直接泵浦Yb:YAG晶体，产生模式为LG01、波长为1030nm的涡旋光。
通过对Nd:GdVO4晶体和Yb:YAG晶体的浓度和尺寸和输出镜9最佳耦合透过率进行优化设计，降低主谐振腔中912nm激光输出的泵浦阈值，并且保证激光次级谐振腔中1030nm激光高效输出同时降低912nm激光的损耗，最终实现模式为LG01、波长为912nm/1030nm的双波长涡旋光输出。图1中的双波长涡旋LG01模光斑10即为该双波长涡旋光的光斑。
全反镜5的两面均镀有808nm、1063nm和1341nm的增透膜，且其凹面镀有912nm的高反膜。通过高透过率造成对1063nm和1341nm的有效损耗进而实现对这两个波长的抑制，保证912nm的激光振荡在增益竞争中胜出，获得有利振荡输出。
Nd:GdVO4晶体的前表面镀有808nm和912nm的增透膜，后表面镀有912nm的增透膜和808nm的高反膜。晶体后表面镀808nm高反膜的目的是让泵浦光两次通过晶体，以增加对泵浦光的吸收率及降低912nm激光器的泵浦阈值。输入镜7的两面均镀有912nm的增透膜，且其凹面镀有1030nm的全反膜。Yb:YAG晶体的两个通光面上镀有912nm和1030nm的增透膜。输出镜9对912nm和1030nm均具有一定值的透过率。
Nd:GdVO4晶体和Yb:YAG晶体均安装在晶体夹中，晶体夹采用紫铜材质，晶体夹通过水冷装置进行温度控制。
实施例2：
继续参照图1，本申请实施例还提供了另外一种双波长涡旋光激光器，包括沿光传播方向依次设置的泵浦源1、准直透镜2、圆环达曼光栅3、聚焦透镜4、全反镜5、第一增益介质6、输入镜7、第二增益介质8和输出镜9。其中，泵浦源1为808nm光纤耦合半导体激光器，泵浦方式为端面泵浦。准直透镜2和聚焦透镜4均为非球面透镜。808nm光纤耦合半导体激光器尾纤输出的泵浦光由准直透镜2准直后通过一阶圆环达曼光栅3，再由聚焦透镜4聚焦，将近似于平行光的泵浦光整形为环形泵浦光。
本申请实施例中的第一增益介质6为Nd:YAG晶体，第二增益介质8为Yb:YAG晶体。全反镜5、Nd:YAG晶体和输出镜9共同构成946nm的主谐振腔。输入镜7、Yb:YAG和输出镜9共同构成1030nm的次谐振腔。输出镜9为双腔共用镜。
808nm光纤耦合半导体激光器端面泵浦Nd:YAG晶体产生模式为LG01、波长为946nm的涡旋光。然后利用产生的模式为LG01、波长为946nm的涡旋光在次谐振腔内直接泵浦Yb:YAG晶体，产生模式为LG01、波长为1030nm的涡旋光。
通过对Nd:YAG晶体和Yb:YAG晶体的浓度和尺寸和输出镜9最佳耦合透过率进行优化设计，降低主谐振腔中946nm激光输出的泵浦阈值，并且保证激光次级谐振腔中1030nm激光高效输出同时降低946nm激光的损耗，最终实现模式为LG01、波长为946nm/1030nm的双波长涡旋光输出。
全反镜5的两面均镀有808nm、1064nm和1319nm的增透膜，且其凹面镀有946nm的高反膜。通过高透过率造成对1064nm和1319nm的有效损耗进而实现对这两个波长的抑制，保证946nm的激光振荡在增益竞争中胜出，获得有利振荡输出。
Nd:YAG晶体的前表面镀有808nm和946nm的增透膜，后表面镀有946nm的增透膜和808nm的高反膜。晶体后表面镀808nm高反膜的目的是让泵浦光两次通过晶体，以增加对泵浦光的吸收率及降低946nm激光器的泵浦阈值。输入镜7的两面均镀有946nm的增透膜，且其凹面镀有1030nm的全反膜。Yb:YAG晶体的两个通光面上镀有946nm和1030nm的增透膜。输出镜9对946nm和1030nm均具有一定值的透过率。
Nd:YAG晶体和Yb:YAG晶体均安装在晶体夹中，晶体夹采用紫铜材质，晶体夹通过水冷装置进行温度控制。
以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种双波长涡旋光激光器，其特征在于，
包括沿光传播方向依次设置的泵浦源、准直透镜、圆环达曼光栅、聚焦透镜、全反镜、第一增益介质、输入镜、第二增益介质和输出镜；
所述全反镜、所述第一增益介质和所述输出镜共同构成主谐振腔，所述主谐振腔能够产生第一预设波长涡旋光；
所述输入镜、所述第二增益介质和所述输出镜共同构成次谐振腔，所述次谐振腔能够产生第二预设波长涡旋光；
所述泵浦源为808nm光纤耦合半导体激光器，泵浦方式为端面泵浦；
所述第一增益介质为Nd:GdVO4晶体；所述Nd:GdVO4晶体的后表面镀有808nm的高反膜；所述全反镜的两面均镀有808nm、1063nm和1341nm的增透膜，且其凹面镀有912nm的高反膜；或，
所述第一增益介质为Nd:YAG晶体；所述Nd:YAG晶体的后表面镀有808nm的高反膜；所述全反镜的两面均镀有808nm、1064nm和1319nnm的增透膜，且其凹面镀有946nm的高反膜。
2.根据权利要求1所述的双波长涡旋光激光器，其特征在于，所述第二增益介质为Yb:YAG晶体。
3.根据权利要求2所述的双波长涡旋光激光器，其特征在于，所述Nd:GdVO4晶体的前表面镀有808nm和912nm的增透膜，所述Nd:GdVO4晶体的后表面镀有912nm的增透膜；所述Yb:YAG晶体的两个通光面上镀有912nm和1030nm的增透膜。
4.根据权利要求3所述的双波长涡旋光激光器，其特征在于，
所述输入镜的两面均镀有912nm的增透膜，且其凹面镀有1030nm的全反膜；
所述输出镜允许至少一部分912nm和1030nm的涡旋光透过。
5.根据权利要求2所述的双波长涡旋光激光器，其特征在于，所述Nd:YAG晶体的前表面镀有808nm和946nm的增透膜，所述Nd:YAG晶体的后表面镀有946nm的增透膜；所述Yb:YAG晶体的两个通光面上镀有946nm和1030nm的增透膜。
6.根据权利要求5所述的双波长涡旋光激光器，其特征在于，
所述输入镜的两面均镀有946nm的增透膜，且其凹面镀有1030nm的全反膜；
所述输出镜允许至少一部分946nm和1030nm的涡旋光透过。
7.根据权利要求1所述的双波长涡旋光激光器，其特征在于，所述第一增益介质和所述第二增益介质均安装在晶体夹中，所述晶体夹采用紫铜材质，所述晶体夹通过水冷装置进行温度控制。
8.根据权利要求1～7任一所述的双波长涡旋光激光器，其特征在于，所述圆环达曼光栅为一阶圆环达曼光栅。
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