CN113608359A - 一种模式可调的腔内涡旋光束生成装置 - Google Patents

一种模式可调的腔内涡旋光束生成装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种模式可调的腔内涡旋光束生成装置。该装置使用连续表面变形镜作为谐振腔的一个端镜，且利用连续表面变形镜拟合环形的螺旋面形，在腔内振荡的光束可以携带上对应的螺旋相位，从而在腔内振荡选出对应模式的涡旋光束。连续表面变形镜还可以灵活改变面形，从而实现腔内模式可调的涡旋光束输出。本发明的一种模式可调的腔内涡旋光束生成装置在生成不同拓扑荷数的涡旋光束时，不用更换光学元件，操作简单，涡旋光束的模式调控灵活。

Description

一种模式可调的腔内涡旋光束生成装置
技术领域
本发明属于光场调控领域，具体涉及一种模式可调的腔内涡旋光束生成装置，该装置使用连续表面变形镜作为谐振腔端镜，在腔内直接输出模式可调的涡旋光束。
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
Figure BDA0003220033700000011
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。由于涡旋光束具有这些特殊的性质，使其得到了广泛的应用，比如光通信，光学加工，光学加密和粒子捕获等领域。
在这些领域中，涡旋光束的生成研究具有十分重要的意义。目前腔外涡旋光束的生成方法主要有使用螺旋相位板，空间光调制器，超表面和数字微镜，这些方法由于存在衍射，生成的涡旋光束的纯度不高。因此，在光源处直接产生涡旋光束已经引起了广泛的关注，即腔内生成。通过设计谐振腔的结构和组件，可以从激光器中产生高纯度的涡旋光束。目前的方法有离轴泵浦，点损耗镜和环形光泵浦，这些方法都对现有的器件做特殊处理。而在腔内直接插入相位型元件，可以不用改变现有的结构，如插入螺旋相位板，或使用空间光调制器作为端镜。但是需要更换不同的螺旋相位板来生成不同模式的涡旋光束，空间光调制器虽然能够调控不同模式，但是不能承受高功率。因此，寻找一种简单的腔内模式可调的涡旋光束生成方法在实际应用中是具有重要意义的。
发明内容
本发明旨在解决上述方法存在的不足，提出了一种模式可调的腔内涡旋光束生成装置。装置中将谐振腔的一个端镜替换为连续表面变形镜，加载不同的电压，可以拟合不同模式的螺旋面型，使得光束在腔内每次振荡时，可以携带上螺旋相位，从而实现腔内模式可调的涡旋光束生成。而且反射式结构可以承受较高的功率，该方法无需改变腔内的光学元件，即可实现不同模式的涡旋光束输出。
本发明采用的技术方案如下：
一种模式可调的腔内涡旋光束生成装置，该装置包括连续表面变形镜、凸透镜、凹透镜、增益晶体、小孔光阑、凹面反射镜、高压放大器、计算机和泵浦光源；其中，连续表面变形镜和凹面反射镜之间依次放置凸透镜、凹透镜、增益晶体和小孔光阑；连续表面变形镜和计算机之间放置高压放大器；
其中，采用所述连续表面变形镜作为谐振腔的一个端镜，通过改变连续表面变形镜的面形，来改变腔内振荡光束的相位。
进一步的，在所述连续表面变形镜上加载环形的螺旋面形，避免不能拟合奇点的问题。
进一步的，连续表面变形镜的面形通过给驱动器加载不同的电压来改变，从而实现模式可调的腔内涡旋光束输出。
进一步的，通过给驱动器加载特定电压，使连续表面变形镜加载上具有拓扑荷数的螺旋面形。
进一步的，所述的连续表面变形镜与凹面反射镜作为谐振腔的两个端镜，凹面反射镜具有一定的透射率，作为谐振腔的耦合输出镜。
进一步的，所述的凸透镜和凹透镜组成望远镜放大系统，用于腔内扩束。
进一步的，所述的泵浦光源位于增益晶体侧面，用于侧面泵浦，或所述的泵浦光源位于凹面反射镜的后面，用于端面泵浦。
本发明具有以下有益效果
1)本发明的一种模式可调的腔内涡旋光束生成装置在生成不同拓扑荷数的涡旋光束时，不用更换光学元件。
2)本发明的一种模式可调的腔内涡旋光束生成装置，操作简单，涡旋光束的模式调控灵活。
附图说明
图1为本发明的装置示意图。
图2为本发明装置中各位置处基模高斯光束束腰大小示意图。
图3中，(a)为装置中连续表面变形镜拟合的拓扑荷数等于1的螺旋面形，(b)为装置出射的涡旋光束，(c)为出射涡旋光束的相位。
图4中，(a)为装置中连续表面变形镜拟合的拓扑荷数等于3的螺旋面形，(b)为装置出射的涡旋光束，(c)为出射涡旋光束的相位。
图1中：1-连续表面变形镜、2-凸透镜、3-凹透镜、4-增益晶体、5-小孔光阑、6-凹面反射镜、7-高压放大器、8-计算机、9-泵浦光源。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明做进一步详细描述。
本发明采用连续表面变形镜作为谐振腔的一个端镜，通过改变连续表面变形镜的面形，来改变腔内振荡光束的相位。高阶拉盖尔-高斯光束是涡旋光束，也是稳定腔的本征模式，通过腔内的小孔和连续表面变形镜加载的螺旋面形，来进行选模，使得输出光束具有与其相对应的相位分布，连续表面变形镜的面形可以通过给驱动器加载不同的电压来改变，从而实现模式可调的涡旋光束腔内输出。
如图1所示为本发明提出的腔内模式可调的涡旋光束生成装置示意图。该装置包括连续表面变形镜1、凸透镜2、凹透镜3、增益晶体4、小孔光阑5、凹面反射镜6、高压放大器7、计算机8和泵浦光源9；其中，连续表面变形镜1和凹面反射镜6之间依次放置凸透镜2、凹透镜3、增益晶体4和小孔光阑5；连续表面变形镜1和计算机8之间放置高压放大器7；其中，采用所述连续表面变形镜1作为谐振腔的一个端镜，通过改变连续表面变形镜1的面形，来改变腔内振荡光束的相位。在所述连续表面变形镜1上加载环形的螺旋面形。
进一步的，连续表面变形镜1的面形通过给驱动器加载不同的电压来改变，从而实现模式可调的腔内涡旋光束输出。
进一步的，通过给驱动器加载特定电压，使连续表面变形镜1加载上具有拓扑荷数的螺旋面形。
进一步的，所述的连续表面变形镜1与凹面反射镜6作为谐振腔的两个端镜，凹面反射镜6具有一定的透射率，作为谐振腔的耦合输出镜。
进一步的，所述的凸透镜2和凹透镜3组成望远镜放大系统，用于腔内扩束。
所述的泵浦光源9位于增益晶体4侧面，用于侧面泵浦，或所述的泵浦光源(9)位于凹面反射镜(6)的后面，用于端面泵浦。
所述连续表面变形镜加载的面形可由下列式子描述：
Figure BDA0003220033700000031
Figure BDA0003220033700000032
Vi是第i个驱动器上加载的电压，m为驱动器的数量；ω为交联值，d为驱动器间距，α是高斯指数，xi，yi分别表示第i个驱动器的横纵坐标。通过给驱动器加载特定电压，使其加载上具有拓扑荷数的螺旋面形。
设连续表面变形镜加载的螺旋面形的拓扑荷数为l，腔内传播的光束的拓扑荷数等于n。当光束经连续表面变形镜反射后，拓扑荷数等于(n-2l)，再经过望远镜系统和增益晶体，到达凹面反射镜。经奇数次反射，涡旋光束拓扑荷数会转换为原来的相反数。因此，经凹面反射镜反射后，拓扑荷数变为-(n-2l)。
在普通光学谐振腔中，只需满足稳定腔条件，即可满足自再现条件，实现腔内稳定输出。当腔内添加了相位器件，还需要考虑光在腔内往返一次波前可逆，即光束振荡一次后能恢复到入射前的模式。
根据上述分析，需要满足n＝-(n-2l)，才能使得光束在腔内往返一次后又恢复到原来的拓扑荷数，即原来的波前。解得n＝-l，即拓扑荷数与连续表面变形镜拟合的拓扑荷数相同且异号的涡旋光束能够在腔内振荡，而其他模式的涡旋光束被损耗掉了。因此激光器输出的涡旋光束的拓扑荷与连续表面变形镜加载的拓扑荷数大小相同，符号相反。
实施例1：本实施例展示了连续表面变形镜加载拓扑荷数等于-1的螺旋面形，激光器出射拓扑荷数等于1的涡旋光束的结果。
在本实施例中，仿真参数如下：凸透镜焦距600mm，凹透镜焦距-30mm，放大倍数20倍，连续表面变形镜直径50mm，小孔光阑口径2mm，凹面反射镜曲率半径60m。连续表面变形镜1和凸透镜2之间距离130mm，凸透镜与凹透镜之间距离570mm，凹透镜3和凹面反射镜6之间距离200mm，总腔长900mm。如图2所示，为该参数下腔内各处基模高斯光束的束腰半径大小尺寸，在连续表面变形镜处，束腰半径等于21.4mm，在凹面反射镜处束腰半径等于1.07mm。
图3(a)中展示了连续表面变形镜加载的拓扑荷数等于-1的螺旋面形，为顺时针螺旋。图3(b)是输出的涡旋光束，可以看出是环形的光场，图3(c)是输出光束的相位分布，可以看出是逆时针的螺旋分布，所以输出的光束的拓扑荷数等于1。
实施例2：本实施例展示了连续表面变形镜加载拓扑荷数等于-3的螺旋面形，激光器出射拓扑荷数等于3的涡旋光束的结果。
腔内参数和实施例1中的参数相同，连续表面变形镜加载的拓扑荷数等于-3的螺旋面形，如图4(a)所示。图4(b)是输出的涡旋光束，可以看出光场是环形分布的。图4(c)是输出光场的相位分布，为逆时针旋转的螺旋，拓扑荷数等于3。
从上述两个实施例可以看出，使用连续表面变形镜作为端镜可以很好的实现腔内模式可调的涡旋光束输出。
本发明根据连续表面变形镜可以灵活改变面形的特点，将其作为谐振端镜，通过给连续表面变形镜加载不同模式的螺旋面形，来实现腔内模式可调的涡旋光束输出。
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 (7)

1.一种模式可调的腔内涡旋光束生成装置，其特征在于：
该装置包括连续表面变形镜(1)、凸透镜(2)、凹透镜(3)、增益晶体(4)、小孔光阑(5)、凹面反射镜(6)、高压放大器(7)、计算机(8)和泵浦光源(9)；其中，连续表面变形镜(1)和凹面反射镜(6)之间依次放置凸透镜(2)、凹透镜(3)、增益晶体(4)和小孔光阑(5)；连续表面变形镜(1)和计算机(8)之间放置高压放大器(7)；
其中，采用所述连续表面变形镜(1)作为谐振腔的一个端镜，通过改变连续表面变形镜(1)的面形，来改变腔内振荡光束的相位。
2.根据权利要求1所述的一种模式可调的腔内涡旋光束生成装置，其特征在于：在所述连续表面变形镜(1)上加载环形的螺旋面形。
3.根据权利要求1所述的一种模式可调的腔内涡旋光束生成装置，其特征在于：连续表面变形镜(1)的面形通过给驱动器加载不同的电压来改变，从而实现模式可调的腔内涡旋光束输出。
4.根据权利要求1所述的一种模式可调的腔内涡旋光束生成装置，其特征在于：通过给驱动器加载特定电压，使连续表面变形镜(1)加载上具有拓扑荷数的螺旋面形。
5.根据权利要求1所述的一种模式可调的腔内涡旋光束生成装置，其特征在于：所述的连续表面变形镜(1)与凹面反射镜(6)作为谐振腔的两个端镜，凹面反射镜(6)具有一定的透射率，作为谐振腔的耦合输出镜。
6.根据权利要求1所述的一种模式可调的腔内涡旋光束生成装置，其特征在于：所述的凸透镜(2)和凹透镜(3)组成望远镜放大系统，用于腔内扩束。
7.根据权利要求1所述的一种模式可调的腔内涡旋光束生成装置，其特征在于：所述的泵浦光源(9)位于增益晶体(4)侧面，用于侧面泵浦，或所述的泵浦光源(9)位于凹面反射镜(6)的后面，用于端面泵浦。
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