CN113839293A - 一种大能量阶数可控涡旋激光脉冲产生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大能量阶数可控涡旋激光脉冲产生装置，包括单频种子激光器，用于产生连续的单频种子激光；液晶空间光调制器，设置于单频种子激光器的出射光路上，用于调整单频种子激光的涡旋阶数，得到涡旋种子激光；从动激光器，与液晶空间光调制器连接，用于接收涡旋种子激光的牵引，得到大能量涡旋脉冲激光；谐振探测控制模块，与从动激光器的多个部位连接，用于探测从动激光器中的谐振状态，并在最佳谐振状态下释放从动激光器中声光Q开关的关闭信号，以实现从动激光器释放大能量涡旋脉冲激光，实现了激光具有大能量和涡旋阶数可控的特点。

Description

一种大能量阶数可控涡旋激光脉冲产生装置
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种大能量阶数可控涡旋激光脉冲产生装置。
背景技术
携带轨道角动量(OAM)信息的光束被称为涡旋光束(Vortex Beam)，其在光操控、非线性光学、空间光通信、材料加工、成像等领域均有重要意义。涡旋光束在除振幅、频率调制外增添了一个可变自由度，推动了激光通信领域内的技术应用与创新，目前已经有多篇文献报道通过控制涡旋的阶数实现近距离的图像传输。同时，涡旋光束具有螺旋相位，其光强分布呈环形，该特征使得其在光镊、超分辨成像及激光加工中具有广泛的应用。
目前产生涡旋光束的方法按照调制位置不同可分为腔外调制和腔内调制。腔外调制主要是在外光路中加入涡旋相位片、全息光栅。采用涡旋相位片、全息光栅等都能产生高功率的涡旋光束，但是其调制器的相位是固定的，无法实时控制涡旋阶数。腔内调制是通过改变泵浦结构或在腔内插相位板、空间光调制器等产生涡旋光束，同样产生的涡旋光束无法兼顾阶数可控及大能量的特点，而在远距离自由空间光通信领域，通讯的距离受限于激光的能量，因此由于以上缺陷，导致涡旋光束在远距离光通信领域不能得到广泛的应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术缺陷，本发明提供一种大能量阶数可控涡旋激光脉冲产生装置。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
单频种子激光器，用于产生连续的单频种子激光；
液晶空间光调制器，设置于所述单频种子激光器的出射光路上，用于调整所述单频种子激光的涡旋阶数，得到涡旋种子激光；
从动激光器，与所述液晶空间光调制器连接，用于接收所述涡旋种子激光的牵引，得到大能量涡旋脉冲激光；
谐振探测控制模块，与所述从动激光器的多个部位连接，用于探测所述从动激光器中的谐振状态，并在最佳谐振状态下释放所述从动激光器中声光Q开关的关闭信号，以实现所述从动激光器释放所述大能量涡旋脉冲激光。
在一种实施方式中，所述从动激光器还包括泵浦源、泵浦光耦合装置、块状固体激光增益介质，所述泵浦源与所述块状固体激光增益介质通过所述泵浦光耦合装置建立连接，所述谐振探测控制模块包括通电连接的探测器和实时控制箱，所述泵浦源通过所述泵浦光耦合装置激励所述块状固体激光增益介质中的激光粒子，得到反转粒子数；所述实时控制箱用于当所述反转粒子数积累至预设数量时扫描所述从动激光器的腔长，直至所述探测器接收到所述涡旋种子激光的干涉信号峰值，停止扫描，以使所述从动激光器获得大能量涡旋脉冲激光。
在一种实施方式中，所述从动激光器还包括全反镜，用于控制所述从动激光器的腔长。
在一种实施方式中，所述从动激光器还包括输出镜，所述输出镜靠近所述液晶空间光调制器设置，用于向所述从动激光器中注入涡旋种子激光以及输出所述从动激光器产生的大能量涡旋脉冲激光。
在一种实施方式中，包括设置于所述单频种子激光器与所述液晶空间光调制器之间的激光单向器，用于阻止所述大能量涡旋脉冲激光传输至所述单频种子激光器。
在一种实施方式中，所述单频种子激光器为非平面环形腔固体激光器、微片激光器、单频光纤激光器、DFB、DBR及ECL激光器中的一种。
在一种实施方式中，所述液晶空间光调制器包括透射式调制器和反射式调制器。
在一种实施方式中，所述从动激光器的腔型为环形腔、法布里-珀罗谐振腔中的一种。
在一种实施方式中，所述块状固体激光增益介质为直径小于或等于2mm的棒状激光晶体。
在一种实施方式中，所述单频种子激光的激光功率小于100mW，激光线宽小于1MHz。
本发明大能量阶数可控涡旋激光脉冲产生装置，通过液晶空间光调制器控制单频种子激光的涡旋阶数，得到涡旋种子激光，再通过从动激光器接收涡旋种子激光的牵引，产生大能量涡旋脉冲激光，谐振探测控制模块探测从动激光器中的谐振状态，并在从动激光器处于最佳的谐振状态时释放从动激光器中声光Q开关111的关闭信号，使得从动激光器释放大能量涡旋脉冲激光，实现了激光具有大能量和涡旋阶数可控的特点。
附图说明
图1为本发明一种大能量阶数可控涡旋激光脉冲产生装置的较佳实施例的结构示意图；
图2为本发明加载在液晶空间光调制器上的螺旋相位图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做说明。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1，图1为本发明实施例提供的一种大能量阶数可控涡旋激光脉冲产生装置的结构示意图，单频种子激光器101产生低功率的连续的单频种子激光，单频种子激光的横模为基模高斯光束，单频种子激光器可选择非平面环形腔固体激光器、微片激光器、单频光纤激光器、DFB(Distributed Feedback Laser，分布式反馈激光器)、DBR(DistributedBragg Reflector，分布式布拉格反射镜)及ECL(External Cavity Laser，外腔激光器)中的一种。单频种子激光器产生的单频种子激光的激光功率小于100mW，激光线宽小于1MHz。液晶空间光调制器104设置在单频种子激光器的出射光路上，通过加载电脑105发送的螺旋相位图(参照图2)，按照预定的程序控制透过液晶空间光调制器104的单频种子激光的涡旋信息，控制单频种子激光的涡旋阶数，得到涡旋种子激光，可控制的涡旋阶数范围主要受液晶空间光调制器104的像素数量限制。液晶空间光调制器包括透射式调制器和反射式调制器。
图1中的灰色线框A包围的器件组成从动激光器，从动激光器A与液晶空间光调制器104连接，液晶空间光调制器104射出的涡旋种子激光通过从动激光器A中的输出镜106注入从动激光器A，从动激光器A接收涡旋种子激光的牵引产生大能量涡旋脉冲激光。对涡旋种子激光的牵引是通过谐振探测控制模块实现的,图1中灰色线框B包围的器件组成谐振探测控制模块。从动激光器A受到谐振探测控制模块B的控制，进行纵向模式及横向模式的锁定和调Q，产生大能量涡旋脉冲激光，谐振探测控制模块B通过探测从动激光器产生的从动激光与涡旋种子激光的谐振状态进行从动激光器A的腔长锁定，当从动激光器A中的谐振状态处于最佳谐振状态时发出声光Q开关111关闭信号，使得从动激光器A射出大能量涡旋脉冲激光。通过控制液晶空间光调制器104的相位和从动激光器A的腔长锁定，使得从动激光器A的激光在涡旋种子激光的牵引下建立起来，从而在从动激光器A的输出端(即输出镜106)实现涡旋阶数可控的大能量涡旋脉冲激光的射出。可以理解，输出镜106用于向从动激光器注入涡旋种子激光以及大能量涡旋脉冲激光的射出，射出方向如图1中经过输出镜106的箭头所指方向。输出镜106靠近液晶空间光调制器设置。
具体的，本实施例中的从动激光器A包括泵浦源112、泵浦光耦合装置113、块状固体激光增益介质108，泵浦源与块状固体激光增益介质通过泵浦光耦合装置建立连接，谐振探测控制模块B包括探测器114和实时控制箱115，探测器114和实时控制箱115通电连接。
泵浦源112为1532nm的光纤激光器，其通过耦合装置113后聚焦于块状固体激光增益介质108内，激励块状固体激光增益介质中的激光粒子，提供反转粒子数所需的激光能量，其中，固体激光增益介质108为直径小于或等于2mm的棒状激光晶体，通过较小的直径实现泵浦光在激光晶体内反射式传输，对大能量涡旋脉冲激光形成较大的增益，例如，
Figure BDA0003213960760000041
(直径为1mm，长度为50mm)掺杂浓度为0.25at.％的Er:YAG激光晶体。当反转粒子数未积累至预设数量时，实时控制箱115释放打开信号，控制声光Q开关111处于打开状态，使得从动激光器A中的激光不能振荡起来，当反转粒子数积累至预设数量时，实时控制箱115对从动激光器A的腔长进行扫描，直至探测器114接收到在从动激光器A中多次往返的涡旋种子激光的干涉信号峰值，此时从动激光器A中的谐振状态处于最佳谐振状态，停止扫描，实时控制箱115释放关闭信号，控制声光Q开关111处于关闭状态，使得从动激光器A中的激光在涡旋种子激光的牵引下振荡起来，得到的大能量涡旋脉冲激光通过从动激光器A的输出镜106输出。探测器114通过与从动激光器A的泵浦镜109连接获取从动激光器中的谐振状态，从动激光器A还包括全反镜110，全反镜110后侧粘有压电陶瓷，全反镜110通过压电陶瓷控制从动激光器A的腔长，实时控制箱115对从动激光器的腔长进行扫描也是通过压电陶瓷。从动激光器A的腔型为环形腔、法布里-珀罗谐振腔中的一种。从动激光器A还包括全反镜107，用于反射激光。
本实施例的大能量阶数可控涡旋激光脉冲产生装置，通过液晶空间光调制器104控制单频种子激光的涡旋阶数，得到涡旋种子激光，再通过从动激光器A接收涡旋种子激光的牵引，产生大能量涡旋脉冲激光，谐振探测控制模块B探测从动激光器中的谐振状态，并在从动激光器A处于最佳的谐振状态时释放从动激光器A中声光Q开关111的关闭信号，使得从动激光器A释放大能量涡旋脉冲激光，实现了激光具有大能量和涡旋阶数可控的特点。
在本实施例中，于液晶空间光调制器104与单频种子激光器101之间设置激光单向器103，用于防止从动激光器A中的大能量涡旋脉冲激光打坏单频种子激光器，激光单向器103为一种光隔离器。于单频种子激光器101与激光单向器103之间设置透镜组102，用于实现于单频种子激光与从动激光器A的模式匹配。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种大能量阶数可控涡旋激光脉冲产生装置，其特征在于，包括：
单频种子激光器，用于产生连续的单频种子激光；
液晶空间光调制器，设置于所述单频种子激光器的出射光路上，用于调整所述单频种子激光的涡旋阶数，得到涡旋种子激光；
从动激光器，与所述液晶空间光调制器连接，用于接收所述涡旋种子激光的牵引，得到大能量涡旋脉冲激光；
谐振探测控制模块，与所述从动激光器的多个部位连接，用于探测所述从动激光器中的谐振状态，并在最佳谐振状态下释放所述从动激光器中声光Q开关的关闭信号，以实现所述从动激光器释放所述大能量涡旋脉冲激光。
2.根据权利要求1所述的一种大能量阶数可控涡旋激光脉冲产生装置，其特征在于，所述从动激光器还包括泵浦源、泵浦光耦合装置、块状固体激光增益介质，所述泵浦源与所述块状固体激光增益介质通过所述泵浦光耦合装置建立连接，所述谐振探测控制模块包括通电连接的探测器和实时控制箱，所述泵浦源通过所述泵浦光耦合装置激励所述块状固体激光增益介质中的激光粒子，得到反转粒子数；所述实时控制箱用于当所述反转粒子数积累至预设数量时扫描所述从动激光器的腔长，直至所述探测器接收到所述涡旋种子激光的干涉信号峰值，停止扫描，以使所述从动激光器获得大能量涡旋脉冲激光。
3.根据权利要求2所述的一种大能量阶数可控涡旋激光脉冲产生装置，其特征在于，所述从动激光器还包括全反镜，用于控制所述从动激光器的腔长。
4.根据权利要求2所述的一种大能量阶数可控涡旋激光脉冲产生装置，其特征在于，所述从动激光器还包括输出镜，所述输出镜靠近所述液晶空间光调制器设置，用于向所述从动激光器中注入涡旋种子激光以及输出所述从动激光器产生的大能量涡旋脉冲激光。
5.根据权利要求1所述的一种大能量阶数可控涡旋激光脉冲产生装置，其特征在于，包括设置于所述单频种子激光器与所述液晶空间光调制器之间的激光单向器，用于阻止所述大能量涡旋脉冲激光传输至所述单频种子激光器。
6.根据权利要求1所述的一种大能量阶数可控涡旋激光脉冲产生装置，其特征在于，所述单频种子激光器为非平面环形腔固体激光器、微片激光器、单频光纤激光器、DFB、DBR及ECL激光器中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种大能量阶数可控涡旋激光脉冲产生装置，其特征在于，所述液晶空间光调制器包括透射式调制器和反射式调制器。
8.根据权利要求1所述的一种大能量阶数可控涡旋激光脉冲产生装置，其特征在于，所述从动激光器的腔型为环形腔、法布里-珀罗谐振腔中的一种。
9.根据权利要求2所述的一种大能量阶数可控涡旋激光脉冲产生装置，其特征在于，所述块状固体激光增益介质为直径小于或等于2mm的棒状激光晶体。
10.根据权利要求1所述的一种大能量阶数可控涡旋激光脉冲产生装置，其特征在于，所述单频种子激光的激光功率小于100mW，激光线宽小于1MHz。
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