CN113904208A - 一种高纯度拉盖尔高斯光束产生系统及其产生方法 - Google Patents

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Abstract

一种高纯度拉盖尔高斯光束产生系统及其产生方法，包括依次布置的泵浦激光器、成像组件、双色镜、输出透镜、激光晶体和偏振分束器；还包括谐振腔和调整组件，一对谐振腔对应布置在偏振分束器的两侧，并且与偏振分束器的连线相互垂直；每组谐振腔包括反射透镜以及在其内部放置的多个金属线，金属线设置在反射透镜与偏振分束器之间；调整组件包括压电陶瓷、相位延迟器和偏振片，相位延迟器和偏振片设置在从反射透镜反射输出的光束光路上。本高纯度拉盖尔高斯光束产生系统及其产生方法，操作简单，实现高纯度的拉盖尔高斯光束的产生，解决拉盖尔高斯光束产生时易受波长限制、螺旋相位板仅适用于单一波长拉盖尔高斯光束的产生、产生功率较低的问题。

Description

一种高纯度拉盖尔高斯光束产生系统及其产生方法
技术领域
本发明涉及激光领域，具体涉及一种高纯度拉盖尔高斯光束产生系统及其产生方法。
背景技术
拉盖尔高斯光束因具有偏振形式、特殊振幅或者相位光场而在物理和实际应用中有巨大的应用价值，因此受到人们的广泛关注，比如在实际应用中，拉盖尔高斯光束具有轨道角动量和环形强度分布的特点可用于量子信息编码、自由空间光通讯和超分辨等领域；尤其是在引力波探测上的应用因其受到反射镜热噪声影响更小，因此会显著提升引力波探测精度。
目前产生拉盖尔高斯光束的方式分为两类：一类是腔外模式，一类是腔内模式。腔外模式转换法的原理主要是利用特殊的相位器件对传统的高斯光束进行相位波前的调制，以此来获得拉盖尔高斯光束，通过腔外产生拉盖尔高斯光束再结合OPO和光学参量放大器，可以实现中红外拉盖尔高斯光束的输出，这种方式操作简单，但是易受到光学器件的影响，对光学器件的制造工艺要求较高，因此拉盖尔高斯光束的转换效率和纯度不高；
腔内模式产生原理是利用增益介质实现涡旋光的空间匹配，它可以直接产生拉盖尔高斯光束。腔内产生拉盖尔高斯光束的方式主要有：一、将相位原件直接插入谐振腔，在激光振荡的同时，实现激光的相位调制产生拉盖尔高斯光束，该方法在谐振腔直接插入相位原件，引起拉盖尔高斯光束的损耗较大，同时也受限于插入的光学器件，拉盖尔高斯光束产生转换效率和纯度不高；二、采用非平面旋转光路技术，即通过改激光谐振腔的光路，引起相位改变产生拉盖尔高斯光束，该方法实验精度要求较高，不易实现。
发明内容
本发明目的在于提供一种高纯度拉盖尔高斯光束产生系统及其产生方法，操作简单，实现高纯度的拉盖尔高斯光束的产生，避免拉盖尔高斯光束产生时易受波长限制、螺旋相位板而造成仅适用于单一波长拉盖尔高斯光束的产生、产生功率较低的问题。
为实现上述目的，本一种高纯度拉盖尔高斯光束产生系统，包括依次布置的泵浦激光器、成像组件、双色镜、输出透镜、激光晶体和偏振分束器；
还包括谐振腔和调整组件；
所述谐振腔为一对，一对谐振腔对应布置在偏振分束器的两侧，并且与偏振分束器的连线相互垂直；
每组谐振腔包括反射透镜和沿光路方向移动设置的多个金属线，多个金属线之间角度可调整、位于反射透镜与偏振分束器之间；
所述调整组件包括用于调整光束频率的压电陶瓷、用于调整相位的相位延迟器和用于使正交偏振的两路光在45°方向都具有激光光束的偏振片，所述压电陶瓷设置在其中一个反射透镜上用于调整光束频率，所述相位延迟器和偏振片设置在从反射透镜反射输出的光束光路上。
进一步的，所述双色镜与泵浦光入射方向相对呈45°倾斜放置，并且一面镀有对泵浦光高透的膜，一面镀有对激光高反的膜。
进一步的，还包括光纤耦合单元，光纤耦合单元设置在泵浦激光器的输出处，用于将泵浦源产生的泵浦光耦合输出，所述泵浦激光器为产生波长780-800nm泵浦光的半导体激光器或者光纤激光器或者固体激光器。
进一步的，所述泵浦激光器是中心波长为λ0＝790nm，尾纤芯径为100um，数值孔径NA＝0.22的半导体激光器。
进一步的，所述成像组件包括依次设置在泵浦激光器和双色镜之间的准直透镜和聚焦透镜；所述准直透镜用于对耦合输出的泵浦光进行准直，所述聚焦透镜用于对耦合输出的泵浦光进行聚焦。
进一步的，所述聚焦透镜为两面均镀有790nm的高透膜、焦距为17.5cm的平凸镜，所述准直透镜为两面均镀有790nm的高透膜、焦距为25cm的平凸镜；
所述反射透镜镀有对泵浦光高反的膜。
进一步的，所述输出透镜、激光晶体、偏振分束器与其中一个谐振腔位于第一谐振腔内，与另外一个谐振腔位于第二谐振腔内。
进一步的，所述激光晶体是掺杂浓度为4at.％的Tm:LuYAG，且左右两端面均镀有对790nm和2018nm的增透膜。
进一步的，所述输出透镜镀有对泵浦光高反的膜，且透过率为5％。
一种高纯度拉盖尔高斯光束产生方法，包括以下步骤：
a.将泵浦源产生的泵浦光经光纤耦合单元进行耦合输出，再依次经准直透镜进行准直和聚焦透镜进行聚焦；
b.准直和聚焦过后的泵浦光，依次入射至与入射角成45°放置的双色镜、与入射角垂直的输出透镜，并射入激光晶体端面后产生激光，产生的激光经过偏振分束器被分成相互垂直的偏振激光；
c.相互垂直的偏振激光对应射入与光线相互垂直的多个金属线后、形成偏振方向相互垂直的花瓣状激光，通过调节多个金属线的摆放位置以及金属线的根数，改变拉盖尔高斯光束的拓扑荷数；
d.两个偏振方向相互垂直的花瓣状激光分别经过反射透镜进行反射，并在相应的谐振腔内振荡后，从输出透镜输出，其中一个谐振腔内设有压电陶瓷用于调整频率；
e.输出后的两束花瓣状激光依次经过相位延迟器和偏振片，最后通过干涉叠加产生拉盖尔高斯光束。
与现有技术相比，本一种高纯度拉盖尔高斯光束产生系统及其产生方法由于一对谐振腔对应布置在偏振分束器的两侧，并且与偏振分束器的连线相互垂直，产生的激光经过偏振分束器被成为相互垂直的偏振激光，并且对应射入金属线用于实现花瓣状激光光束的输出，通过调整金属线摆放位置和数目，形成不同形状的花瓣状激光，相干叠加产生拉盖尔高斯光束，操作简单，解决传统拉盖尔高斯光束产生时易受波长影响、螺旋相位板只能用于单一波长拉盖尔光束的产生、以及产生的激光功率低的问题；由于调整组件包括用于调整光束频率的压电陶瓷、用于调整相位的相位延迟器和用于使第一谐振腔产生的花瓣激光和第二谐振腔产生的花瓣状激光偏振方向相同的偏振片，因此输出的两束花瓣状激光就成为频率相同、相位差恒定和偏振方向相同的干涉激光，两束花瓣状激光干涉叠加就产生拉盖尔高斯光束，避免传统的改变相位和频率控制难度高的情况；本一种高纯度拉盖尔高斯光束产生系统及其产生方法，操作简单，通过对花瓣状激光光束相干叠加实现高纯度的拉盖尔高斯光束的产生，避免拉盖尔高斯光束产生时易受光学器件的影响、对光学器件的制造工艺要求高、不易实现的情况。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2为本发明在拉盖尔高斯拓扑荷数L＝1下花瓣状激光光束相干叠加产生拉盖尔高斯光束及金属线摆放位置示意图；
图3为本发明在拉盖尔高斯拓扑荷数L＝2下花瓣状激光光束相干叠加产生拉盖尔高斯光束及金属线摆放位置示意图；
图4为本发明在拉盖尔高斯拓扑荷数L＝3下花瓣状激光光束相干叠加产生拉盖尔高斯光束及金属线摆放位置示意图；
图中：1、泵浦激光器，2、准直透镜，3、聚焦透镜，4、双色镜，5、输出透镜，6、激光晶体，7、偏振分束器，8、金属线，9、第一谐振腔，10、第二谐振腔，11、反射透镜，12、压电陶瓷，13、相位延迟器，14、偏振片。
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，本一种高纯度拉盖尔高斯光束产生系统，包括依次布置的泵浦激光器1、成像组件、双色镜4、输出透镜5、激光晶体6和偏振分束器7；
还包括谐振腔和调整组件；
所述谐振腔为一对，一对谐振腔对应布置在偏振分束器7的两侧，并且与偏振分束器7的连线相互垂直；
每组谐振腔包括反射透镜11和沿光路方向移动设置的多个金属线8，多个金属线8之间角度可调整、并与光路垂直、位于反射透镜11与偏振分束器7之间；
所述调整组件包括用于调整光束频率的压电陶瓷12、用于调整相位的相位延迟器13和用于使正交偏振的两路光在45°方向都具有投影分量的偏振片14，所述压电陶瓷12设置在其中一个反射透镜11上用于调整光束频率，所述相位延迟器13和偏振片14设置在从反射透镜11反射输出的光束光路上。
进一步的，所述双色镜4与泵浦光入射方向相对呈45°倾斜放置，并且一面镀有对泵浦光高透的膜，一面镀有对激光高反的膜。
进一步的，本装置还包括光纤耦合单元，光纤耦合单元设置在泵浦激光器1的输出处，用于将泵浦源产生的泵浦光耦合输出，所述泵浦激光器1为产生波长780-800nm泵浦光的半导体激光器或者光纤激光器或者固体激光器。
优选的，所述泵浦激光器1是中心波长为λ0＝790nm，尾纤芯径为100um，光纤直径为D＝105um，数值孔径NA＝0.22的半导体激光器。
进一步的，所述成像组件包括依次设置在泵浦激光器1和双色镜4之间的准直透镜2和聚焦透镜3；所述准直透镜2用于对耦合输出的泵浦光进行准直，所述聚焦透镜3用于对耦合输出的泵浦光进行聚焦。
进一步的，所述聚焦透镜3为两面均镀有790nm的高透膜、焦距为17.5cm的平凸镜，所述准直透镜2为两面均镀有790nm的高透膜、焦距为25cm的平凸镜；
所述反射透镜11镀有对泵浦光高反的膜；
进一步的，所述输出透镜5、激光晶体6、偏振分束器7与其中一个谐振腔位于第一谐振腔9内，与另外一个谐振腔位于第二谐振腔10内。
进一步的，所述激光晶体6是掺杂浓度为4at.％的Tm:LuYAG，且左右两端面均镀有对790nm和2018nm的增透膜。
进一步的，所述输出透镜5镀有对泵浦光高反的膜，且透过率为5％。
一种高纯度拉盖尔高斯光束产生方法，包括以下步骤：
a.将泵浦源产生的泵浦光经光纤耦合单元进行耦合输出，再依次经准直透镜进行准直和聚焦透镜3进行聚焦；
b.准直和聚焦过后的泵浦光，依次入射至与入射角成45°放置的双色镜4、与入射角垂直的输出透镜5，并射入激光晶体6端面后产生激光，产生的激光经过偏振分束器7被分成相互垂直的偏振激光；
c.相互垂直的偏振激光对应射入与光线相互垂直的多个金属线8后、形成偏振方向相互垂直的花瓣状激光，并可通过调节多个金属线8的摆放位置以及金属线8的根数，改变拉盖尔高斯光束的拓扑荷数；
d.两个偏振方向相互垂直的花瓣状激光分别经过反射透镜11进行反射，并在相应的谐振腔内振荡后，再从输出透镜5输出，其中一个谐振腔内设有调整频率的压电陶瓷12；
e.输出后的两束花瓣状激光依次经过相位延迟器13和偏振片14，最后通过干涉叠加产生拉盖尔高斯光束。
通过实施例对高纯度拉盖尔高斯光束产生系统及其产生方法进一步说明；
首先泵浦激光器1、准直透镜2、聚焦透镜3、双色镜4、输出透镜5、激光晶体6、偏振分束器7和其中一个反射透镜11处于同一轴线上布置；泵浦激光器1可选用半导体激光器，用以产生波长780-800nm的泵浦光，优选的，采用泵浦激光器1是中心波长为λ0＝790nm光纤芯径为100um，NA＝0.22的半导体激光器；
当产生泵浦光后，可先通过光纤耦合单元用于将泵浦光耦合输出，再依次通过准直透镜2和聚焦透镜3分别对泵浦光进行准直和聚焦，并且为使得准直和聚焦效果更好，聚焦透镜3为两面均镀有790nm的高透膜、焦距为17.5cm的平凸镜，准直透镜2为两面均镀有790nm的高透膜、焦距为25cm的平凸镜；
当完成准直和聚焦后，泵浦光经过双色镜4、输出透镜5和激光晶体6，双色镜4相对入射光呈45°倾斜放置，激光晶体6在泵浦光的激励下产生上转换荧光，并可经过相应谐振腔的振荡产生波长为2017nm-2019nm波段的激光，输出透镜5、激光晶体6和偏振分束器7既在第一谐振腔9内、又在第二谐振腔10内；
产生的激光先射入偏振分束器7中，分成偏振方向相互垂直的偏振激光，即实现水平和垂直偏振方向的激光输出，并且由于沿着偏振激光垂直布置的光路上分别设有谐振腔，即偏振方向相互垂直的偏振激光分别相应射入金属线8，形成相互垂直的花瓣状激光，每个谐振腔中的金属线8垂直于光路放置，并且通过调整对应的金属线8的摆放位置以及根数，改变花瓣状激光的形状和数目，实现不同拓扑荷数的拉盖尔高斯光束的形成；如图2至图4所示，当调整对应的金属线8的位置以及根数，使得产生的拉盖尔高斯光束的拓扑荷数分别为L＝1、L＝2和L＝3，相应花瓣状激光光束相干叠加产生拉盖尔高斯光束示意图，每幅图中从左至右依次为相互垂直的花瓣状激光、以及干涉叠加后的拉盖尔高斯光束；
两个偏振方向相互垂直的花瓣状激光分别经过反射透镜11进行反射，在相应的第一谐振腔9和第二谐振腔10内振荡后同一方向输出；由于设置调节组件，在其中一个谐振腔中设有压电陶瓷12，以确保输出的两个花瓣状激光有相同的频率，设置相位延迟器13，使两个花瓣状激光的相位差恒定为±π/2，设置偏振片14，使正交偏振的两路光束在45°方向都具有投影分量从而产生干涉叠加，避免传统方式改变相变和频率控制难度高的情况，因此输出的花瓣状激光光束通过压电陶瓷12、相位延迟器13和偏振片14，产生两束频率相同、相位差恒定和偏振方向相同的干涉激光光束，两束花瓣状干涉激光光束叠加产生拉盖尔高斯光束。

Claims (10)

1.一种高纯度拉盖尔高斯光束产生系统，其特征在于，包括依次布置的泵浦激光器(1)、成像组件、双色镜(4)、输出透镜(5)、激光晶体(6)和偏振分束器(7)；
还包括谐振腔和调整组件；
所述谐振腔为一对，一对谐振腔对应布置在偏振分束器(7)的两侧，并且与偏振分束器(7)的连线相互垂直；
每组谐振腔包括反射透镜(11)和沿光路方向移动设置的多个金属线(8)，多个金属线(8)之间角度可调整、位于反射透镜(11)与偏振分束器(7)之间；
所述调整组件包括用于调整光束频率的压电陶瓷(12)、用于调整相位的相位延迟器(13)和用于使正交偏振的两路光在45°方向都具有偏振光束的偏振片(14)，所述压电陶瓷(12)设置在其中一个反射透镜(11)上用于调整激光的频率，所述相位延迟器(13)和偏振片(14)设置在从反射透镜(11)反射输出的光束光路上。
2.根据权利要求1所述的一种高纯度拉盖尔高斯光束产生系统，其特征在于，所述双色镜(4)与泵浦光入射方向相对呈45°倾斜放置，并且一面镀有对泵浦光高透的膜，一面镀有对激光高反的膜。
3.根据权利要求2所述的一种高纯度拉盖尔高斯光束产生系统，其特征在于，还包括光纤耦合单元，光纤耦合单元设置在泵浦激光器(1)的输出处，用于将泵浦源产生的泵浦光耦合输出，所述泵浦激光器(1)为产生波长780-800nm泵浦光的半导体激光器或者光纤激光器或者固体激光器。
4.根据权利要求3所述的一种高纯度拉盖尔高斯光束产生系统，其特征在于，所述泵浦激光器(1)是中心波长为λ0＝790nm，尾纤芯径为100um，数值孔径NA＝0.22的半导体激光器。
5.根据权利要求2至4任意一项所述的一种高纯度拉盖尔高斯光束产生系统，其特征在于，所述成像组件包括依次设置在泵浦激光器(1)和双色镜(4)之间的准直透镜(2)和聚焦透镜(3)；所述准直透镜(2)用于对耦合输出的泵浦光进行准直，所述聚焦透镜(3)用于对耦合输出的泵浦光进行聚焦。
6.根据权利要求5所述的一种高纯度拉盖尔高斯光束产生系统，其特征在于，所述聚焦透镜(3)为两面均镀有790nm的高透膜、焦距为17.5cm的平凸镜，所述准直透镜(2)为两面均镀有790nm的高透膜、焦距为25cm的平凸镜；
所述反射透镜(11)镀有对泵浦光高反的膜。
7.根据权利要求5所述的一种高纯度拉盖尔高斯光束产生系统，其特征在于，所述输出透镜(5)、激光晶体(6)、偏振分束器(7)与其中一个谐振腔位于第一谐振腔(9)内，与另外一个谐振腔位于第二谐振腔(10)内。
8.根据权利要求5所述的一种高纯度拉盖尔高斯光束产生系统，其特征在于，所述激光晶体(6)是掺杂浓度为4at.％的Tm:LuYAG，且左右两端面均镀有对790nm和2018nm的增透膜。
9.根据权利要求8所述的一种高纯度拉盖尔高斯光束产生系统，其特征在于，所述输出透镜(5)镀有对泵浦光高反的膜，且透过率为5％。
10.一种高纯度拉盖尔高斯光束产生方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.将泵浦源产生的泵浦光经光纤耦合单元进行耦合输出，再依次经准直透镜(2)进行准直和聚焦透镜(3)进行聚焦；
b.准直和聚焦过后的泵浦光，依次入射至与入射角成45°放置的双色镜(4)、与入射角垂直的输出透镜(5)，并射入激光晶体(6)端面后产生激光，产生的激光经过偏振分束器(7)被分成相互垂直的偏振激光；
c.相互垂直的偏振激光对应射入与光线相互垂直的多个金属线(8)后、形成偏振方向相互垂直的花瓣状激光，通过调节多个金属线(8)的摆放位置以及金属线(8)的根数，改变拉盖尔高斯光束的拓扑荷数；
d.两个偏振方向相互垂直的花瓣状激光分别经过反射透镜(11)进行反射，并在相应的谐振腔内振荡后，再从输出透镜(5)输出，其中一个谐振腔内设有压电陶瓷(12)用于调整频率；
e.输出后的两束花瓣状激光依次经过相位延迟器(13)和偏振片(14)，最后通过干涉叠加产生拉盖尔高斯光束。
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