CN113572007A - 一种能量分布均匀的平顶帽光斑输出方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能量分布均匀的平顶帽光斑输出方法，所述输出方法包括以下步骤；S1：柱矢量光束输出→S2：平顶光束输出，将光纤激光器中的实心光强分布的基模和具备环形光强分布的柱矢量模式同时在腔内谐振，让两种模式在不同的谐振腔中进行谐振，同时让两个谐振腔共用同一个输出腔镜，使两种模式的光束叠加，实现平顶光束输出→S3：全光纤激光器。本发明将基模光束和环形的柱矢量光束进行非相干叠加，实现平顶光束输出，通过基模光束和环形的柱矢量光束在不同的谐振腔内起振，保证具备非恒定的相位差和较大的波长差，并通过同一输出腔镜叠加后输出，得到了高质量的平顶光束，能够在很远的传播距离上保持均匀分布状态。
Description
技术领域
本发明涉及平顶光束输出技术领域，更具体地说，本发明涉及一种能量分布均匀的平顶帽光斑输出方法。
背景技术
激光器是能发射激光的装置，1954年制成了第一台微波量子放大器，获得了高度相干的微波束，1958年A.L.肖洛和C.H.汤斯把微波量子放大器原理推广应用到光频范围，1960年T.H.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器，1961年A.贾文等人制成了氦氖激光器，1962年R.N.霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器，以后，激光器的种类就越来越多，按工作介质分，激光器可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器4大类，近来还发展了自由电子激光器。
现有技术存在以下不足：现有激光器主要以高斯光束输出为主，光束输出时能量分布不均匀，容易导致激光器局部温度过高，且成型光束质量差，远距离传播时不能保持均匀状态。
发明内容
本发明提供一种能量分布均匀的平顶帽光斑输出方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种能量分布均匀的平顶帽光斑输出方法，所述输出方法包括以下步骤；
S1：柱矢量光束输出
双折射晶体发生双折射产生，分别对应着角向偏振光和径向偏振光，谐振腔保持轴对称结构，使用布儒斯特棱镜组进行模式选择，在谐振腔内激发两个相互垂直的厄米-高斯光束形成柱矢量光束；
S2：平顶光束输出
将光纤激光器中的实心光强分布的基模和具备环形光强分布的柱矢量模式同时在腔内谐振，让两种模式在不同的谐振腔中进行谐振，同时让两个谐振腔共用同一个输出腔镜，使两种模式的光束叠加，实现平顶光束输出；
S3：全光纤激光器
谐振腔腔镜使用光纤光栅，两边的单模光栅具备腔镜，少模光纤光栅对模式进行选择。
优选的，所述步骤S1中，将均匀偏振光束通过腔外的空间偏振转化装置转化成柱矢量光束，偏振转化装置包括螺旋相位片、组合半波片和空间光调制器，利用径向偏振片和螺旋相位片使径向偏振光束的输出，圆偏振光束经过径向偏振片后，得到径向分量的光束，并通过相位补偿片对上述光束进行相位补偿就可以得到纯净的径向偏振光束，后面的两个半波片可以实现柱矢量光束之间的相互转换，左端每一臂的单模光纤光栅和输出端的少模光纤光栅构成一个谐振腔，因此这个结构中包含了两个谐振腔，上面的谐振腔单独可以实现柱矢量光束输出，而下面的谐振腔则实现基模光束输出，两个光束最终通过同一输出端同时输出，从而得到平顶光束。
优选的，所述步骤S2中，在两个谐振腔中起振，两个不同的模式具备不同的相位，相位差也不能够保持固定，同时两个模式的波长也有近2nm的差异，保证两个模式能够实现完全的独立，以获得柱矢量光束为例，上面的单模光栅中心波长对应少模光栅的基模一基模自耦合模，数值为1055.4nm，在谐振腔内1055.4nm的基模光束实现振荡，而每次经过错位熔接点时，就会部分的基模光束转换成二阶模光束，光束到达少模光纤光栅时，基模光束被直接反射回去，而二阶模光束则被允许通过，基模被局限在谐振腔中并在其中不断振荡，同时不停地转换成二阶模，从而实现柱矢量激光光束持续输出，下面的一端形成的谐振腔实现的目的刚好相反，将腔内的基模输出，而将二阶模反射回腔内，实现单一的基模光束输出，实现模式选择性输出的核心光器件就是少模光纤光栅，输出的二阶模光束的波长为1055.4nm，基模光束的波长为1053.7nm，两个模式产生于不同的谐振腔，同时两者的波长差为1.7nm，使得非相干叠加具备完全的可行性。
优选的，所述步骤S2中，以柱矢量光束光强为参考，通过不断改变基模光束的相对光强，模拟时基模的相对光强从40％增加到140％，每次增幅为20％，随着基模光束成分的不断增加，环形光束空缺的中心逐渐被填充，当基模光束强度等同于柱矢光束光强时，平顶光束输出，随后再增加基模光束的光强，合成光束中心部分逐渐凸起，基模成分逐渐占据主导地位，柱矢量光束的偏振态与所处的位置息息相关，每点的位置偏振态都不相同，和检偏器光轴方向一致的点光强最大，垂直于检偏器光轴的点此时光强为零，所以经过检偏器后将会变成两瓣的形状，此时仍不能将四种模式完全区分开来，但是四种模式偏振态的变化是不同的，因此可以通过旋转检偏器，也就是改变光轴的方向，观察两瓣随着光轴变换后的转动情况。
优选的，所述步骤S3中，全光纤激光器的左端分为两臂，每一臂均包含单模光栅、980nm泵浦、980/1060波分复用器和掺镜光纤，两臂通过50％：50％的耦合器连接，单模光栅起到腔镜的作用，刻写在单模光纤上，980/1060的波分复用器将980nm的泵浦光耦合进激光腔内，每段掺镜光纤长度为30cm，Yb3k离子吸收泵浦光，发生能级跃迁并实现离子数反转，上臂的单模光栅反射峰对应着少模光栅的基模一基模自耦合峰，下臂的单模光栅反射峰对应着少模光栅的二阶模一二阶模自耦合模，初始周期均为363.9nm，放置检偏器后，两瓣中心线平行于光轴方向，转动检偏器时，光斑的转动方向和偏振器转动方向一致，实际上少模光纤光栅不能够将基模完全反射回去，会有少量的基模光束输出，可以利用弯曲损耗法对输出柱矢量光束的纯度进行分析，将输出端后的尾纤进行弯曲，此时高阶模的损耗远远大于基模，通过测得弯曲前后输出功率的改变，就可以得到柱矢量光束的纯度。
优选的，所述右端两臂分别连接输出端和光谱仪，光谱仪观察激光腔内的光谱情况，根据光谱强弱此调节两个泵浦源的功率大小，输出端上的光器件分别为两个偏振控制器、位于两个偏振控制器中间的错位熔接点、少模光纤光栅和准直器，少模光栅刻写在SMF-28e上，输出光束经过准直器输出，实现两种分量的非相干叠加，将激光器中的两个模式实现非相干叠加，同时输出后的平顶光束传播较远距离后仍能保持均匀分布状态。
优选的，所述步骤S2中，全光纤激光器错位熔接点激发二阶模，让两段光纤端面保持一定轴向位置差异或者光轴的倾斜，激发高阶模，随着错位距离的逐渐增加，基模成分所占比例逐渐下降，二阶模的比例不断提升，将横向错位距离控制为3.4μm，损耗为2.98dB，两个偏振控制器调节腔内光束偏振状态，调解二阶模的输出，第一个是错位熔接点，起到激发二阶模的作用，在光纤中为了产生二阶模常常采用错位入射激发或者倾斜入射激发，也就是在熔接时，让两段光纤端面保持一定轴向位置差异或者光轴的倾斜，从而打破光纤中导波的稳定传输，激发高阶模，可以观察到随着错位距离的逐渐增加，基模成分所占比例逐渐下降，而二阶模的比例不断提升，甚至可以超过基模所占比例，这就代表着输出的二阶模模式纯度越高，但同时也带来了一个重要的问题，那就是整个激光器的功率下降得非常厉害，因此在实际实验中要保持二阶模模式纯度和激光器输出功率之间的平衡，通过理论分析和实验探索，我们将横向错位距离控制为3.4um，损耗为2.98dB，保证实验效果的最佳性，第二个需要注意的是偏振控制器，在这里两个偏振控制器调节腔内光束偏振状态，改善二阶模的输出质量，提高基模转换成二阶模的耦合效率。
本发明的技术效果和优点：
本发明将基模光束和环形的柱矢量光束进行非相干叠加，实现平顶光束输出，通过基模光束和环形的柱矢量光束在不同的谐振腔内起振，保证具备非恒定的相位差和较大的波长差，并通过同一输出腔镜叠加后输出，得到了高质量的平顶光束，能够在很远的传播距离上保持均匀分布状态。
具体实施方式
对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种能量分布均匀的平顶帽光斑输出方法，所述输出方法包括以下步骤；
S1：柱矢量光束输出
双折射晶体发生双折射产生，分别对应着角向偏振光和径向偏振光，谐振腔保持轴对称结构，使用布儒斯特棱镜组进行模式选择，在谐振腔内激发两个相互垂直的厄米-高斯光束形成柱矢量光束；
S2：平顶光束输出
将光纤激光器中的实心光强分布的基模和具备环形光强分布的柱矢量模式同时在腔内谐振，让两种模式在不同的谐振腔中进行谐振，同时让两个谐振腔共用同一个输出腔镜，使两种模式的光束叠加，实现平顶光束输出；
S3：全光纤激光器
谐振腔腔镜使用光纤光栅，两边的单模光栅具备腔镜，少模光纤光栅对模式进行选择。
进一步的，在上述技术方案中，所述步骤S1中，将均匀偏振光束通过腔外的空间偏振转化装置转化成柱矢量光束，偏振转化装置包括螺旋相位片、组合半波片和空间光调制器，利用径向偏振片和螺旋相位片使径向偏振光束的输出，圆偏振光束经过径向偏振片后，得到径向分量的光束，并通过相位补偿片对上述光束进行相位补偿就可以得到纯净的径向偏振光束，后面的两个半波片可以实现柱矢量光束之间的相互转换，左端每一臂的单模光纤光栅和输出端的少模光纤光栅构成一个谐振腔，因此这个结构中包含了两个谐振腔，上面的谐振腔单独可以实现柱矢量光束输出，而下面的谐振腔则实现基模光束输出，两个光束最终通过同一输出端同时输出，从而得到平顶光束。
进一步的，在上述技术方案中，所述步骤S2中，在两个谐振腔中起振，两个不同的模式具备不同的相位，相位差也不能够保持固定，同时两个模式的波长也有近2nm的差异，保证两个模式能够实现完全的独立，以获得柱矢量光束为例，上面的单模光栅中心波长对应少模光栅的基模一基模自耦合模，数值为1055.4nm，在谐振腔内1055.4nm的基模光束实现振荡，而每次经过错位熔接点时，就会部分的基模光束转换成二阶模光束，光束到达少模光纤光栅时，基模光束被直接反射回去，而二阶模光束则被允许通过，基模被局限在谐振腔中并在其中不断振荡，同时不停地转换成二阶模，从而实现柱矢量激光光束持续输出，下面的一端形成的谐振腔实现的目的刚好相反，将腔内的基模输出，而将二阶模反射回腔内，实现单一的基模光束输出，实现模式选择性输出的核心光器件就是少模光纤光栅，输出的二阶模光束的波长为1055.4nm，基模光束的波长为1053.7nm，两个模式产生于不同的谐振腔，同时两者的波长差为1.7nm，使得非相干叠加具备完全的可行性。
进一步的，在上述技术方案中，所述步骤S2中，以柱矢量光束光强为参考，通过不断改变基模光束的相对光强，模拟时基模的相对光强从40％增加到140％，每次增幅为20％，随着基模光束成分的不断增加，环形光束空缺的中心逐渐被填充，当基模光束强度等同于柱矢光束光强时，平顶光束输出，随后再增加基模光束的光强，合成光束中心部分逐渐凸起，基模成分逐渐占据主导地位，柱矢量光束的偏振态与所处的位置息息相关，每点的位置偏振态都不相同，和检偏器光轴方向一致的点光强最大，垂直于检偏器光轴的点此时光强为零，所以经过检偏器后将会变成两瓣的形状，此时仍不能将四种模式完全区分开来，但是四种模式偏振态的变化是不同的，因此可以通过旋转检偏器，也就是改变光轴的方向，观察两瓣随着光轴变换后的转动情况。
进一步的，在上述技术方案中，所述步骤S3中，全光纤激光器的左端分为两臂，每一臂均包含单模光栅、980nm泵浦、980/1060波分复用器和掺镜光纤，两臂通过50％：50％的耦合器连接，单模光栅起到腔镜的作用，刻写在单模光纤上，980/1060的波分复用器将980nm的泵浦光耦合进激光腔内，每段掺镜光纤长度为30cm，Yb3k离子吸收泵浦光，发生能级跃迁并实现离子数反转，上臂的单模光栅反射峰对应着少模光栅的基模一基模自耦合峰，下臂的单模光栅反射峰对应着少模光栅的二阶模一二阶模自耦合模，初始周期均为363.9nm，放置检偏器后，两瓣中心线平行于光轴方向，转动检偏器时，光斑的转动方向和偏振器转动方向一致，实际上少模光纤光栅不能够将基模完全反射回去，会有少量的基模光束输出，可以利用弯曲损耗法对输出柱矢量光束的纯度进行分析，将输出端后的尾纤进行弯曲，此时高阶模的损耗远远大于基模，通过测得弯曲前后输出功率的改变，就可以得到柱矢量光束的纯度。
进一步的，在上述技术方案中，所述右端两臂分别连接输出端和光谱仪，光谱仪观察激光腔内的光谱情况，根据光谱强弱此调节两个泵浦源的功率大小，输出端上的光器件分别为两个偏振控制器、位于两个偏振控制器中间的错位熔接点、少模光纤光栅和准直器，少模光栅刻写在SMF-28e上，输出光束经过准直器输出，实现两种分量的非相干叠加，将激光器中的两个模式实现非相干叠加，同时输出后的平顶光束传播较远距离后仍能保持均匀分布状态。
进一步的，在上述技术方案中，所述步骤S2中，全光纤激光器错位熔接点激发二阶模，让两段光纤端面保持一定轴向位置差异或者光轴的倾斜，激发高阶模，随着错位距离的逐渐增加，基模成分所占比例逐渐下降，二阶模的比例不断提升，将横向错位距离控制为3.4μm，损耗为2.98dB，两个偏振控制器调节腔内光束偏振状态，调解二阶模的输出，第一个是错位熔接点，起到激发二阶模的作用，在光纤中为了产生二阶模常常采用错位入射激发或者倾斜入射激发，也就是在熔接时，让两段光纤端面保持一定轴向位置差异或者光轴的倾斜，从而打破光纤中导波的稳定传输，激发高阶模，可以观察到随着错位距离的逐渐增加，基模成分所占比例逐渐下降，而二阶模的比例不断提升，甚至可以超过基模所占比例，这就代表着输出的二阶模模式纯度越高，但同时也带来了一个重要的问题，那就是整个激光器的功率下降得非常厉害，因此在实际实验中要保持二阶模模式纯度和激光器输出功率之间的平衡，通过理论分析和实验探索，我们将横向错位距离控制为3.4um，损耗为2.98dB，保证实验效果的最佳性，第二个需要注意的是偏振控制器，在这里两个偏振控制器调节腔内光束偏振状态，改善二阶模的输出质量，提高基模转换成二阶模的耦合效率。
实施例
将尾纤的长度进行改变，无论是增加还是剪短尾纤长度，都能够得到平顶光束，当尾纤长度改变时，环形的柱矢量光束可能会变成两瓣的线偏模，因此需要再次调节两个偏振控制器以获得环形光束，之后通过同样的方法即可以再次获得平顶光束，得到的平顶光束在离开尾纤后在一定的长距离中也能够保持均匀分布状态，之后通过改变CCD和准直器之间的距离进行了验证，在0-1.4m的范围内，都可以在电脑屏幕上观察到均匀分布的平顶光束，平顶光束先经过准直器再输出到空间中，有一定程度的发散，受限于CCD尺寸的大小，距离超过1.4m后，光斑将超过CCD的尺寸，平顶光束能够保持均匀分布状态传播很远的距离。
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，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 (7)
1.一种能量分布均匀的平顶帽光斑输出方法，其特征在于：所述输出方法包括以下步骤；
S1：柱矢量光束输出
双折射晶体发生双折射产生，分别对应着角向偏振光和径向偏振光，谐振腔保持轴对称结构，使用布儒斯特棱镜组进行模式选择，在谐振腔内激发两个相互垂直的厄米-高斯光束形成柱矢量光束；
S2：平顶光束输出
将光纤激光器中的实心光强分布的基模和具备环形光强分布的柱矢量模式同时在腔内谐振，让两种模式在不同的谐振腔中进行谐振，同时让两个谐振腔共用同一个输出腔镜，使两种模式的光束叠加，实现平顶光束输出；
S3：全光纤激光器
谐振腔腔镜使用光纤光栅，两边的单模光栅具备腔镜，少模光纤光栅对模式进行选择。
2.根据权利要求1所述的一种能量分布均匀的平顶帽光斑输出方法，其特征在于：所述步骤S1中，将均匀偏振光束通过腔外的空间偏振转化装置转化成柱矢量光束，偏振转化装置包括螺旋相位片、组合半波片和空间光调制器，利用径向偏振片和螺旋相位片使径向偏振光束的输出，圆偏振光束经过径向偏振片后，得到径向分量的光束，并通过相位补偿片对上述光束进行相位补偿就可以得到纯净的径向偏振光束，后面的两个半波片可以实现柱矢量光束之间的相互转换。
3.根据权利要求1所述的一种能量分布均匀的平顶帽光斑输出方法，其特征在于：所述步骤S2中，在两个谐振腔中起振，两个不同的模式具备不同的相位，相位差也不能够保持固定，同时两个模式的波长也有近2nm的差异，保证两个模式能够实现完全的独立。
4.根据权利要求1所述的一种能量分布均匀的平顶帽光斑输出方法，其特征在于：所述步骤S2中，以柱矢量光束光强为参考，通过不断改变基模光束的相对光强，模拟时基模的相对光强从40％增加到140％，每次增幅为20％，随着基模光束成分的不断增加，环形光束空缺的中心逐渐被填充，当基模光束强度等同于柱矢光束光强时，平顶光束输出，随后再增加基模光束的光强，合成光束中心部分逐渐凸起，基模成分逐渐占据主导地位。
5.根据权利要求1所述的一种能量分布均匀的平顶帽光斑输出方法，其特征在于：所述步骤S3中，全光纤激光器的左端分为两臂，每一臂均包含单模光栅、980nm泵浦、980/1060波分复用器和掺镜光纤，两臂通过50％：50％的耦合器连接，单模光栅起到腔镜的作用，刻写在单模光纤上，980/1060的波分复用器将980nm的泵浦光耦合进激光腔内，每段掺镜光纤长度为30cm，Yb3k离子吸收泵浦光，发生能级跃迁并实现离子数反转，上臂的单模光栅反射峰对应着少模光栅的基模一基模自耦合峰，下臂的单模光栅反射峰对应着少模光栅的二阶模一二阶模自耦合模，初始周期均为363.9nm。
6.根据权利要求5所述的一种能量分布均匀的平顶帽光斑输出方法，其特征在于：所述右端两臂分别连接输出端和光谱仪，光谱仪观察激光腔内的光谱情况，根据光谱强弱此调节两个泵浦源的功率大小，输出端上的光器件分别为两个偏振控制器、位于两个偏振控制器中间的错位熔接点、少模光纤光栅和准直器，少模光栅刻写在SMF-28e上，输出光束经过准直器输出。
7.根据权利要求5所述的一种能量分布均匀的平顶帽光斑输出方法，其特征在于：所述步骤S2中，全光纤激光器错位熔接点激发二阶模，让两段光纤端面保持一定轴向位置差异或者光轴的倾斜，激发高阶模，随着错位距离的逐渐增加，基模成分所占比例逐渐下降，二阶模的比例不断提升，将横向错位距离控制为3.4μm，损耗为2.98dB，两个偏振控制器调节腔内光束偏振状态，调解二阶模的输出。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110787706.7A CN113572007A (zh) | 2021-07-13 | 2021-07-13 | 一种能量分布均匀的平顶帽光斑输出方法 |
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Publications (1)
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115113409A (zh) * | 2022-08-26 | 2022-09-27 | 成都莱普科技股份有限公司 | 基于达曼光栅的线性平顶光斑的发生系统、方法及设备 |
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2021
- 2021-07-13 CN CN202110787706.7A patent/CN113572007A/zh active Pending
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 徐昌龙: "平顶光束输出的全光纤激光器研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士)信息科技辑》 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115113409A (zh) * | 2022-08-26 | 2022-09-27 | 成都莱普科技股份有限公司 | 基于达曼光栅的线性平顶光斑的发生系统、方法及设备 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20211029 |