CN113328330B - 一种高纯度轨道角动量可调谐的单晶光纤涡旋激光器 - Google Patents
一种高纯度轨道角动量可调谐的单晶光纤涡旋激光器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113328330B CN113328330B CN202110436604.0A CN202110436604A CN113328330B CN 113328330 B CN113328330 B CN 113328330B CN 202110436604 A CN202110436604 A CN 202110436604A CN 113328330 B CN113328330 B CN 113328330B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- laser
- mirror
- single crystal
- output mirror
- light
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000013078 crystal Substances 0.000 title claims abstract description 53
- 239000000835 fiber Substances 0.000 title claims abstract description 22
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims abstract description 39
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 26
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 15
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 15
- 239000011343 solid material Substances 0.000 claims abstract description 6
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims description 10
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 claims description 8
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 claims description 8
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 7
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 5
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 4
- 238000007747 plating Methods 0.000 claims 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 33
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 11
- 238000000034 method Methods 0.000 description 9
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 229910019655 synthetic inorganic crystalline material Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- JNDMLEXHDPKVFC-UHFFFAOYSA-N aluminum;oxygen(2-);yttrium(3+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Y+3] JNDMLEXHDPKVFC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BJQHLKABXJIVAM-UHFFFAOYSA-N bis(2-ethylhexyl) phthalate Chemical compound CCCCC(CC)COC(=O)C1=CC=CC=C1C(=O)OCC(CC)CCCC BJQHLKABXJIVAM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000007429 general method Methods 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000010365 information processing Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910019901 yttrium aluminum garnet Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
- H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
- H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
- H01S3/0941—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a laser diode
- H01S3/09415—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a laser diode the pumping beam being parallel to the lasing mode of the pumped medium, e.g. end-pumping
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/06—Construction or shape of active medium
- H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
- H01S3/067—Fibre lasers
- H01S3/06708—Constructional details of the fibre, e.g. compositions, cross-section, shape or tapering
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
- H01S3/08018—Mode suppression
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Lasers (AREA)
Abstract
一种高纯度轨道角动量可调谐的单晶光纤涡旋激光器，沿光路传播方向依次包括LD激光器、光学耦合系统、输入镜、单晶光纤、旋转输出镜以及旋转轮轴，其中，以新型固体材料单晶光纤为增益介质，没有谐振腔内泵浦光与激光模式匹配的限制，旋转输出镜为平面镜，且由多个相等扇形区域构成，每个扇形区域内都设有不同内外半径的环孔，旋转输出镜固定在旋转轮轴上，扭动旋转轮轴可转动旋转输出镜以选择不同大小的输出环孔。本发明通过设计旋转输出镜上环孔结构，能够得到高纯度任意高阶LG模式的涡旋激光输出，并实现轨道角动量的可调谐。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光器，具体是一种高纯度轨道角动量可调谐的单晶光纤涡旋激光器，尤其适用于高纯度且轨道角动量可调谐的涡旋激光输出，属于激光技术领域。
背景技术
与常见的高斯光束相比，涡旋光在传输过程中不仅有自旋角动量(SAM)，且每个光子因绕轴转动而携带大小为lh的轨道角动量(OAM)，由于涡旋光特殊的物理结构和性质，已经在非线性光学、光通信、量子信息处理以及微粒操纵技术等多个领域广泛应用。例如在量子通信领域，量子系统中涡旋光一个正交偏振态就代表一个比特信息，轨道角动量正交的本征态可实现TB量级信息传输，同时拓扑荷数l能用整数或分数表示，极大的提高了信息传递的安全性，在将来有着技术变革的巨大潜力。
目前，现有技术能够实现涡旋光轨道角动量可调谐的常见方法有两大类，一类是腔外利用特殊光学元件间接实现转换，比如螺旋相位板、空间光调制器以及计算机全息等，此类方法对轨道角动量的可调谐有极大的局限性，比较受限于元件本身材料的特性，且纯度较依赖于转换器件的制造工艺，转换效率低，在LG01模式下，易产生LG02和其他高阶LG模式,较难实现光学元件和激光谐振腔一体化，不易得到高能量、高功率的涡旋激光；另一类是腔内直接振荡产生技术，比如缺陷腔镜、环形光泵浦及谐振腔发射等技术，主要是在激光腔内振荡直接得到涡旋激光，对腔内的激光振荡模式进行主动或被动选择来获得涡旋激光，需要使用带有倾斜角度的标准具或破坏腔型对称结构来得到不同的高阶LG激光，获取不同阶数LG模式则需要重新设计腔结构，过程不仅繁琐复杂，且需要巧妙设计光路以降低谐振腔损耗。对于此类特殊元器件的制备都是在mm量级以下，需要精密度极高的工艺同时也增大了元器件制备过程的困难度。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷或不足，本发明提供一种高纯度轨道角动量可调谐的单晶光纤涡旋激光器，结构简单，制备难度降低，能够实现任意高阶LG模式的涡旋激光输出，得到高纯度的LG模式涡旋激光并实现轨道角动量的可调谐。
为了实现上述目的，本发明提供一种高纯度轨道角动量可调谐的单晶光纤涡旋激光器，沿光路传播方向依次包括LD激光器、光学耦合系统、输入镜、单晶光纤、旋转输出镜以及旋转轮轴，光学耦合系统包括由短焦透镜和长焦透镜组成的开普勒望远镜系统，LD激光器发射的泵浦光经过光学耦合系统实现对泵浦光的束腰和扩束，泵浦光经过输入镜进入单晶光纤内部，由输入镜、单晶光纤以及旋转输出镜构成谐振腔，且输入镜、单晶光纤以及旋转输出镜上的环孔中心点在同一水平轴上；旋转输出镜为平面镜，且由多个相等扇形区域构成，每个扇形区域内都设有不同内外半径的环孔，每个环孔都镀以对激光部分的反射膜，反射率为80％-99％，扇形区域除环孔外镀以对激光有吸收的介质膜；旋转输出镜固定在旋转轮轴上，扭动旋转轮轴来转动旋转输出镜以选择不同大小的输出环孔，旋转间隔角度为360°/n，其中n为旋转输出镜上不同环孔大小的扇形区域的个数。
本发明的LD激光器为半导体激光二极管，其泵浦方式为端面泵浦，LD激光器输出波长对应于增益介质单晶光纤的吸收波长。
本发明的泵浦光以导波形式传输，增益介质采用新型固体材料单晶光纤，激光采用自由振荡形式传输，泵浦光与激光之间没有模式匹配的限制。
本发明的输入镜为凹面透镜，在输入镜的泵浦光输入面镀以对泵浦光的高透膜，透过率≥95％，在输入镜的另一侧镀以对激光的高反射膜，反射率≥99.5％。
利用在旋转输出镜位置处的基膜光斑尺寸，以基膜光斑尺寸与高阶LG模式光斑尺寸关系得到旋转输出镜位置处高阶LG模式光斑大小。
为抑制基膜涡旋光产生，以确定旋转输出镜上环孔最佳内外半径比值，实现旋转输出镜上不同LG模式的内外环孔大小设计，得到高纯度的不同阶数LG模式涡旋光输出。
与现有技术相比，本发明沿光路传播方向依次包括LD激光器、光学耦合系统、输入镜、单晶光纤、旋转输出镜以及旋转轮轴，输入镜、单晶光纤以及旋转输出镜上的环孔中心点在同一水平轴上，LD激光器的泵浦方式为端面泵浦，采用端面泵浦能够使结构设计灵活紧凑，易得到较好的光束质量，LD激光器发射泵浦源输出波长对应于增益介质单晶光纤的吸收波长，本发明以固体材料单晶光纤为增益介质，不用考虑谐振腔内模式匹配问题，而且不受泵浦波长的影响，可实现高功率的涡旋激光输出；本发明的旋转输出镜为平面镜，且由多个相等扇形区域构成，每个扇形区域内都设有不同内外半径的环孔，每个环孔都镀以对激光部分的反射膜，反射率为80％-99％，扇形区域除环孔外镀以对激光有吸收的介质膜，经理论计算和模拟分析，可有效选择在基模高斯光束的前提下得到高阶LG模式光斑尺寸的环孔大小，每经过一个扇形区域中环孔中心位置得到一种高纯度的高阶LG模式涡旋激光输出，同时能够高效抑制其他LG模式振荡；本发明将转输出镜固定在旋转轮轴上，通过巧妙设计旋转输出镜的结构，扭动旋转轮轴转动旋转输出镜上不同内外大小的环孔来实现涡旋激光轨道角动量的可调谐输出；本发明能够实现任意高阶LG模式的涡旋激光输出，得到高纯度的LG模式涡旋激光并实现轨道角动量的可调谐，且整个系统结构紧凑，可实现集成化。
附图说明
图1是本发明的结构图；
图2是本发明实施例中旋转输出镜的结构图；
图3是本发明实施例中旋转输出镜的环孔内外半径图；
图4是本发明实施例中基模TEM00与LG模式有效重叠面积对比图；
图5是本发明实施例中不同阶数的LG模式光强分布图。
图中：1、LD激光器，2、短焦透镜，3、全反镜Ⅰ，4、全反镜Ⅱ，5、长焦透镜，6、输入镜，7、单晶光纤，8、旋转输出镜，9、旋转轮轴，10、光学耦合系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种高纯度轨道角动量可调谐的单晶光纤涡旋激光器，沿光路传播方向依次包括LD激光器1、光学耦合系统10、输入镜6、单晶光纤7、旋转输出镜8以及旋转轮轴9，输入镜6、单晶光纤7以及旋转输出镜8上的环孔中心点在同一水平轴上，LD激光器1为半导体激光二极管，其泵浦方式为端面泵浦，泵浦源输出波长对应于增益介质单晶光纤7的吸收波长；光学耦合系统10包括由短焦透镜2和长焦透镜5组成的开普勒望远镜系统，在短焦透镜2和长焦透镜5上分别镀以对泵浦光高透的介质膜，根据短焦透镜2和长焦透镜5焦距比值大小可对泵浦光斑实现缩束和扩束的倍数，对泵浦光光束束腰进行调整，输入镜6为凹面透镜，在输入镜6的泵浦光输入面镀以对泵浦光的高透膜，透过率≥95％，在输入镜6的另一侧镀以对激光的高反射膜，反射率≥99.5％；旋转输出镜8为平面镜，且由多个相等扇形区域构成，每个扇形区域内都设有不同内外半径的环孔，每个环孔都镀以对激光部分的反射膜，反射率为80％-99％，扇形区域除环孔外镀以对激光有吸收的介质膜，旋转输出镜8固定在旋转轮轴9上，扭动旋转轮轴9以转动旋转输出镜8以选择不同大小的输出环孔。
扇形区域的孔径尺寸为不同高阶模式的LG光束的光斑尺寸，根据在旋转输出镜8位置处的基模光斑尺寸经理论计算和模拟分析可得到孔径值大小，旋转输出镜8固定安装在一个旋转轮轴9上面，选择需要输出的LG模式，可扭动旋转轮轴9以实现转动旋转输出镜8至不同环孔大小的中心，实现轨道角动量的可调谐，得到高纯度的LG激光输出，可实现涡旋激光轨道角动量的可谐调，转动时扇形区域内的环孔中心在相同水平高度的位置。
旋转输出镜8上扇形区域内不同环孔的设计方法，步骤如下：
第一步：确定使用新型固体材料单晶光纤作为增益介质，根据单晶光纤7的吸收波长选择对应的泵浦光源，谐振腔由输入镜6、单晶光纤7和旋转输出镜8组成，选定谐振腔为凹平腔镜，调整旋转输出镜8或谐振腔的腔长直至激光稳定输出，计算此时旋转输出镜8位置处的基膜光斑尺寸，计算公式如下：
式中：w(Z)OC为旋转输出镜位置处的基膜光斑尺寸；
w0为束腰光斑半径；
λ为激光的中心波长；
Zoc为沿Z轴旋转输出镜的位置；
第二步：根据谐振腔内激光基膜光斑与高阶LG模式下的光斑尺寸大小的关系，
w(z)LG＝w(z)oc(2p+l+1)1/2 (2)
式中：w(z)LG为不同高阶LG模式下在旋转输出镜位置处的光斑尺寸；
p为径向指数；
l为拓扑阶数；
根据公式(2)计算旋转输出镜8对应位置处不同阶数的LG模式光斑尺寸，得到旋转输出镜8上不同阶数的外环孔尺寸，对不同大小的环孔在旋转输出镜8上进行区域划分；
第三步：根据泵浦光的导播传输和激光的自由振荡传输方式，为抑制基膜光斑和其他高阶模式光斑的产生，选定最佳的环孔内外半径的比值，计算出旋转输出镜8上不同LG模式下的内外半径大小，得到旋转输出镜8的整个结构设计，最后对每个扇形区域内除环孔外的区域镀以对激光有吸收的介质膜。
本发明的增益介质为新型固体材料单晶光纤，其具有较高热导率，常见于高性能固体激光器，在单晶光纤7中泵浦光采用导波传输，激光采用自由振荡传输，且没有泵浦光与激光模式匹配的限制，不仅可以增加泵浦光与激光两者的重叠体积，且能够对泵浦光高效吸收，实现激光的高增益输出。
所述输入镜优选为凹面透镜，在靠近泵浦光入射面上镀以对泵浦高透的介质膜，优选透过率≥95％，在凹面输入镜另一侧镀以对激光高反射的介质膜，优选反射率≥99.5％。
图2为旋转输出镜8的结构图，旋转输出镜8优选为平面镜，由五个面积相等的扇形区域组成，每个扇形区域内都有不同半径大小的环孔，靠近单晶光纤7一侧的环孔透镜区域镀以对激光部分反射的介质膜，反射率为80％-99％，其孔径尺寸为不同高阶模式的LG光束的光斑尺寸，根据在旋转输出镜8位置处的基模光斑经理论计算和模拟分析可得到孔径值大小，旋转输出镜8固定安装在一个旋转轮轴9上面，选择需要输出的LG模式，可扭动旋转轮轴以实现转动旋转输出镜至不同环孔大小的中心，实现轨道角动量的可调谐，得到高纯度的LG激光输出。
实施例一
一种轨道角动量可调谐的Ho:YAG单晶光纤涡旋激光器
LD激光器1是以中心波长为793nm的半导体激光器作为泵浦源，泵浦方式为端面泵浦，经耦合尾纤输出，芯径为200um，NA＝0.22，利用Tm:YAG作为增益介质实现振荡得到1907nm的激光输出，掺铥光纤激光器具有较好的光束质量和较窄的线宽，可得到高功率和能量大的激光输出。
光学耦合系统10由两个不同焦距的透镜组成，即短焦透镜2和长焦透镜5，靠近LD激光器1的短焦透镜2的焦距为25mm，靠近输入镜6的长焦透镜5的焦距为200mm，光学耦合系统10将泵浦光斑尺寸扩束8倍，全反镜Ⅰ3、全反镜Ⅱ4对泵浦光1.9um波段全反，短焦透镜2和长焦透镜5都镀以对1850-1950nm波段的泵浦光高透的介质膜，LD激光器1发射的激光经过光学耦合系统10准直平行后聚焦在单晶光纤7内部靠前端的位置处，在焦点位置泵浦光斑半径尺寸为85um，LD激光器1输出中心波长1907nm为Ho:YAG单晶光纤材料的吸收波长。
单晶光纤7采用Ho:YAG的掺钬钇铝石榴石作为激光增益介质，掺杂浓度为0.6at.％，长度为20mm，直径约920um，单晶光纤7外面镀以铟箔，放置在水冷散热装置中，冷却温度设定为12℃，同时需使得单晶光纤水平方向偏离光轴约3°，防止反射对泵浦光源产生影响。
在满足稳定谐振腔的条件下，输入镜6为凹面镜，输入镜6的曲率半径为100mm，在泵浦光入射面一侧镀以对1850-1950nm波段泵浦光的高透膜，透过率≥95％，在输入镜6靠近单晶光纤7的一侧镀以对2050-2250nm波段激光高反射的介质膜，优选反射率≥99.5％，旋转输出镜8为平面镜,其每个扇形区域内的环孔靠近单晶光纤7的一侧均镀以对2050-2250nm波段部分反射介质膜，优选反射率80％-99％，输出透过率为5％，输出激光中心波长为2122nm。
整个旋转输出镜8的直径为80mm，厚度为3mm，分为五个面积相等的扇形区域，且每个区域内各有尺寸大小不同的环孔，旋转输出镜8上环孔以外的区域能够对2050-2250um波段的激光有吸收，旋转输出镜8使用三个大小相同的工艺小孔固定在旋转轮轴9上，工艺小孔的直径为4mm，厚度为3mm，可扭动旋转轮轴9以转动旋转输出镜8至每个环孔中心位置，旋转输出镜9与旋转轮轴8接触面积圆轴的直径为36mm。
对于拉盖尔-高斯不同高阶模式，可用表示，其中，p为径向指数，l为拓扑阶数，当p＝l＝0时，LG00为基模高斯光束，当l≠0时，为不同阶数的LG模式光束，横截面光强分布为环形孔，且带有一个相位奇点和携有大小为/>相位项，一般情况下，为减少传播过程中的能量损耗和系统成本，常采用p＝0，l≠0的高阶模式的涡旋光进行传输，这里以LG01、LG02、LG03、LG04以及LG05五种高阶模式为例，具体推导分析在旋转输出镜8上每个扇形区域内环孔尺寸大小的设定。
首先对于高斯光束即在基模TEM00情况下进行理论分析，LD激光器1发射的泵浦光经光学耦合系统10扩束后聚焦在谐振腔内，设定谐振腔腔长为22mm，其焦点位置处光斑束腰半径为85um，输入镜6的曲率半径为100mm，泵浦光的中心波长为2122nm，输入镜6单晶光纤7和旋转输出镜8组成谐振腔，高斯光束在谐振腔内沿z轴方向上传播，在旋转输出镜8位置处，即Z＝ZOC时基膜光斑尺寸可表示为：
可得到此时旋转输出镜位置处的基模TEM00高斯光束光斑尺寸半径w(z)oc为150um，对于高阶LG0l模式，随着拓扑阶数l的增大，相对应的模式下其光斑大小也在逐渐增大，为得到除基模TEM00以外的高阶LG0l模式激光输出，在不同阶数的情况下，旋转输出镜8位置处高阶LG0l模式的光斑尺寸与基模关系可表示为：
w(z)LG＝w(z)oc(2p+l+1)1/2
其中：w(z)LG为不同高阶LG模式下在旋转输出镜位置处的光斑尺寸；
根据上式可得到在旋转输出镜8位置处对应任意高阶LG模式下的光斑尺寸大小表示为：
| Modes | LG00 | LG01 | LG02 | LG03 | LG04 | LG05 |
| WLG | Woc | 1.414Woc | 1.732Woc | 2Woc | 2.236Woc | 2.449Woc |
设定标准涡旋光光斑的内环半径为a，外环半径为b，如图3中所示，
其中a值大小定义为涡旋光中心暗点到内侧径向强度分布的半高宽度(FWHM)，b值大小定义为涡旋光中心暗点到外侧径向强度分布最大值的1/e2处的半宽度，旋转输出镜8上扇形区域内的环孔内外环半径分别设定为a和b，由此可得到不同阶数下环孔外半径b＝w(z)LG。
为确保谐振腔内单晶光纤7中能实现LG模式激光振荡，需计算出不同阶数LG模式下旋转输出镜8上环孔的有效面积，设定ε＝b/w0，调整谐振腔腔长可以改变外环与泵浦光束腰比值ε的相对尺寸，调整束腰位置处单晶光纤7中泵浦光与激光两者的重叠体积，使得谐振腔中不同阶次的LG模式与泵浦光的空间重叠程度最佳，对泵浦光实现高效吸收，同时保证这样的泵浦条件下可实现不同阶数的涡旋激光高增益输出。为限制基模TEM00产生，通过计算对比单晶光纤7中泵浦光与环形涡旋激光的有效重叠面积Aeff，使泵浦功率阈值达到最小，有效重叠面积Aeff可以表示为：
在基模TEM00腰斑半径w0一定条件下，Aeff只与a，b和l相关，由前面可以看出，ε＝b/w0＝w(z)LG/w0≥1恒成立，这里分别以a＝0.35b，a＝0.45b和a＝0.55b三个参数作比较，如图4所示，分别对应a＝0.35b，a＝0.45b和a＝0.55b参数下，以b/w0相对变化尺寸为横坐标，对比基模TEM00模式和LG模式与涡旋激光有效重叠面积大小。
泵浦功率阈值主要取决于空间重叠因子和谐振腔内损耗等参数，在相同条件下，这里只考虑有效重叠面积对LG模式和基模TEM00的影响。当相对尺寸ε在0.8＜b/w0＜1.8范围内时，参数为a/b＝0.45的曲线图中，b/w0＜1时，基模TEM00有效重叠面积比LG模式小，则有效粒子数反转密度高，可认为基模TEM00阈值小于LG模式，则基模TEM00优先振荡，在起始b/w0≥1时，逐渐由基模TEM00转向LG模式，且在此之后，LG模式的有效重叠面积小于基模TEM00，在ε≥1前提下，可以看出LG模式阈值小于基模TEM00，LG模式能够优先振荡，而参数在a＝0.35b和a＝0.55b时，ε≥1开始时刻及之后都不能在基模TEM00和LG模式之间转换，不能保证在泵浦条件下有效实现LG模式涡旋激光输出。相对而言，参数在a/b＝0.45时其性能更好，LG模式与泵浦光的空间重叠效果最好，对泵浦光有高吸收，同时限制基模TEM00的产生，可实现任意的LG模式高增益的涡旋激光输出。
在b＝w(z)LG，a＝0.45b条件下，由此可得到不同高阶LG模式下旋转输出镜上扇形区域内每个环孔内外半径大小，可表示为：
| Modes | LG00 | LG01 | LG02 | LG03 | LG04 | LG05 |
| WLG/b | Woc | 1.414Woc | 1.732Woc | 2Woc | 2.236Woc | 2.449Woc |
| a | 0 | 0.636Woc | 0.779Woc | 0.9Woc | 1.0062Woc | 1.102Woc |
前面得到的旋转输出镜8位置上的基模高斯光斑半径woc为150um,为得到LG01模式的涡旋光输出，可设计旋转输出镜8上LG01扇形区域中环孔内半径大小为95um，外半径大小为212um，经扭动旋转轮轴9使得谐振腔由输入镜和对应LG01模式的环孔中心组成，可得到高纯度的LG01模式的涡旋激光输出，且能很好抑制基模TEM00和其他高阶LG模式的干扰，通过转动旋转输出镜8上环孔位置，实现涡旋激光轨道角动量的可调谐。
如图5所示，依次为LG01、LG02、LG03、LG04以及LG05模式的横向光强分布模拟图，相同步骤和方法，可得到其他不同阶数的LG模式涡旋激光。
Claims (6)
1.一种高纯度轨道角动量可调谐的单晶光纤涡旋激光器，沿光路传播方向依次包括LD激光器(1)、光学耦合系统(10)、输入镜(6)、单晶光纤(7)、旋转输出镜(8)以及旋转轮轴(9)，其特征在于，光学耦合系统(10)包括由短焦透镜(2)和长焦透镜(5)组成的开普勒望远镜系统，LD激光器(1)发射的泵浦光经过光学耦合系统(10)实现对泵浦光的束腰和扩束，泵浦光经过输入镜(6)进入单晶光纤(7)内部，由输入镜(6)、单晶光纤(7)以及旋转输出镜(8)构成谐振腔，且输入镜(6)、单晶光纤(7)以及旋转输出镜(8)上的环孔中心点在同一水平轴上，旋转输出镜(8)为平面镜，且由多个相等扇形区域构成，每个扇形区域内都设有不同内外半径的环孔，每个环孔都镀以对激光部分的反射膜，反射率为80％-99％，扇形区域除环孔外镀以对激光有吸收的介质膜；旋转输出镜(8)固定在旋转轮轴(9)上，扭动旋转轮轴(9)来转动旋转输出镜(8)以选择不同大小的输出环孔，旋转间隔角度为360°/n，其中n为旋转输出镜(8)上不同环孔大小的扇形区域的个数。
2.根据权利要求1所述的一种高纯度轨道角动量可调谐的单晶光纤涡旋激光器，其特征在于，LD激光器(1)为半导体激光二极管，其泵浦方式为端面泵浦，LD激光器(1)输出波长对应于增益介质单晶光纤(7)的吸收波长。
3.根据权利要求1或2所述的一种高纯度轨道角动量可调谐的单晶光纤涡旋激光器，其特征在于，泵浦光以导波形式传输，增益介质采用新型固体材料单晶光纤(7)，激光采用自由振荡形式传输，泵浦光与激光之间没有模式匹配的限制。
4.根据权利要求1所述的一种高纯度轨道角动量可调谐的单晶光纤涡旋激光器，其特征在于，输入镜(6)为凹面透镜，在输入镜(6)的泵浦光输入面镀以对泵浦光的高透膜，透过率≥95％，在输入镜(6)的另一侧镀以对激光的高反射膜，反射率≥99.5％。
5.根据权利要求4所述的一种高纯度轨道角动量可调谐的单晶光纤涡旋激光器，其特征在于，利用在旋转输出镜(8)位置处的基膜光斑尺寸，以基膜光斑尺寸与高阶LG模式光斑尺寸关系得到旋转输出镜(8)位置处高阶LG模式光斑大小。
6.根据权利要求4所述的一种高纯度轨道角动量可调谐的单晶光纤涡旋激光器，其特征在于，为抑制基膜涡旋光产生，以确定旋转输出镜(8)上环孔最佳内外半径比值，实现旋转输出镜(8)上不同LG模式的内外环孔大小设计，得到高纯度的不同阶数LG模式涡旋光输出。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110436604.0A CN113328330B (zh) | 2021-04-22 | 2021-04-22 | 一种高纯度轨道角动量可调谐的单晶光纤涡旋激光器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110436604.0A CN113328330B (zh) | 2021-04-22 | 2021-04-22 | 一种高纯度轨道角动量可调谐的单晶光纤涡旋激光器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113328330A CN113328330A (zh) | 2021-08-31 |
| CN113328330B true CN113328330B (zh) | 2024-02-02 |
Family
ID=77414973
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110436604.0A Active CN113328330B (zh) | 2021-04-22 | 2021-04-22 | 一种高纯度轨道角动量可调谐的单晶光纤涡旋激光器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113328330B (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103151700A (zh) * | 2013-02-25 | 2013-06-12 | 山东大学 | 一种具有多波长输出的角动量可调谐全固态激光器 |
| CN106877128A (zh) * | 2017-04-19 | 2017-06-20 | 江苏师范大学 | 一种易于集成的波长可调谐固体激光器 |
| CN108963734A (zh) * | 2018-07-05 | 2018-12-07 | 南开大学 | 一种涡旋光光纤激光器及其控制方法 |
| CN111525379A (zh) * | 2020-04-01 | 2020-08-11 | 南京大学 | 一种宽带拓扑荷可调谐的拉盖尔高斯光参量振荡器 |
| CN111755941A (zh) * | 2020-05-26 | 2020-10-09 | 北京理工大学 | 一种拓扑电荷可调节的涡旋光束产生装置 |
-
2021
- 2021-04-22 CN CN202110436604.0A patent/CN113328330B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103151700A (zh) * | 2013-02-25 | 2013-06-12 | 山东大学 | 一种具有多波长输出的角动量可调谐全固态激光器 |
| CN106877128A (zh) * | 2017-04-19 | 2017-06-20 | 江苏师范大学 | 一种易于集成的波长可调谐固体激光器 |
| CN108963734A (zh) * | 2018-07-05 | 2018-12-07 | 南开大学 | 一种涡旋光光纤激光器及其控制方法 |
| CN111525379A (zh) * | 2020-04-01 | 2020-08-11 | 南京大学 | 一种宽带拓扑荷可调谐的拉盖尔高斯光参量振荡器 |
| CN111755941A (zh) * | 2020-05-26 | 2020-10-09 | 北京理工大学 | 一种拓扑电荷可调节的涡旋光束产生装置 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| "Wavelength- and OAM-tunable vortex laser with a reflective volume Bragg grating";Qiyao Liu 等;《Optics Express》;第25卷(第19期);23312-23319页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113328330A (zh) | 2021-08-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Chen et al. | Optimization of fiber-coupled laser-diode end-pumped lasers: influence of pump-beam quality | |
| Danielewicz et al. | Hybrid output mirror for optically pumped far infrared lasers | |
| Sheng et al. | Ultra‐High‐Order Laguerre–Gaussian Field Generated Directly From a Laser Cavity with Spherical Aberration | |
| CN103326224B (zh) | 一种径向偏振光束激光器 | |
| Chen et al. | Vortex arrays directly generated from an efficient diode-pumped microchip laser | |
| US6134259A (en) | Optical resonator with spiral optical elements | |
| CN113328330B (zh) | 一种高纯度轨道角动量可调谐的单晶光纤涡旋激光器 | |
| Zhang et al. | Robust high-order petal-mode laser with tunable topological charge pumped by an axicon-based annular beam | |
| CN112290373A (zh) | 一种振荡器型自由电子激光三孔耦合输出方法及装置 | |
| CN109638631B (zh) | 一种外腔半导体激光阵列相干合束方法和装置 | |
| CN116345286A (zh) | 一种阶数可调的多模式涡旋激光器 | |
| Miao et al. | Broadband 2D n× n Vortex Arrays Generated from an Efficient Petal‐Like Raman Laser with an Astigmatic Mode Convertor | |
| US4496518A (en) | TMO and TEO cavity resonator for projecting plasma confining TEO mode components | |
| Chen et al. | Generation of tunable vortex beams from a side-pumped Nd: YAG laser utilizing spot defect mirrors | |
| CN1332482C (zh) | 光栅调谐非稳定激光谐振腔 | |
| CN109659803B (zh) | 一种高偏振纯度可调偏振方向的旋转对称偏振空心激光器 | |
| Zhou et al. | Highly efficient solid-state vortex laser in a robust and simple configuration | |
| CN117293640A (zh) | 双环正交旋转对称偏振倍频空心激光器 | |
| CN219163901U (zh) | 一种产生高效中红外涡旋激光的装置 | |
| CN109193317B (zh) | 一种基于晶体圆锥镜可调谐双高斯空心激光器 | |
| Chen et al. | Direct generation of Laguerre-Gaussian modes in an all-solid-state laser | |
| WO2006068701A1 (en) | Slab laser with composite resonator and method of producing high-energy laser radiation | |
| Zhu et al. | High-order Hermite-Gaussian modes and optical vortices generated in an efficient Yb: YAG microchip laser by manipulating gain distribution | |
| Wang et al. | The symmetry change of the transverse modes in ring-LD end-pumped Nd: YVO4 laser with an étalon | |
| US8897332B2 (en) | Circular optical cavity electronically switched between at least two distinct cavity modes |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |