CN114421274B - 一种拓扑荷数可调控的宽带涡旋拉曼微片激光器 - Google Patents
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Abstract
一种拓扑荷数可调控的宽带涡旋拉曼微片激光器，涉及激光技术领域。设有沿光轴方向依次设有半导体激光器泵浦源、准直透镜、环形空心光聚焦透镜和激光谐振腔，各部件的几何中心均位于同一水平光轴上；所述激光谐振腔由激光晶体、拉曼晶体和材料表面的电介质镀膜构成；激光晶体和拉曼晶体相互紧贴；环形空心聚焦透镜和激光谐振腔固定于水平移动支架上，可沿光束传输方向前后移动；从泵浦源发出的泵浦光经准直后由环形空心聚焦透镜聚焦为环形光束并对激光晶体进行泵浦，输出拓扑荷数可调LG0,n模式的宽带涡旋激光。具有结构简单、成本低、光束质量高的特点，有利于实现激光器的小型化、集成化，是能够实现宽带涡旋拉曼激光光输出的有效办法。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其是涉及一种拓扑荷数可调控的宽带涡旋拉曼微片激光器。
背景技术
涡旋激光是具有轨道角动量的特殊激光光源(Allen L.,Beijersbergen M.W.,Spreeuw R.J.C.and Woerdman J.P.,"Orbital angular momentum of light and thetransformation of Laguerre-Gaussian laser modes",Phys.Rev.A 45,8185(1992))，其应用领域广泛，包含光镊[2]、光通信[3]、微纳加工[4]等。而使涡旋激光具有其它激光特性，例如宽带、多波长、脉冲等(Shen Y.J.,Wang X.J.,Xie Z.W.et al.,"Opticalvortices 30years on:OAM manipulation from topological charge to multiplesingularities",Light-Sci.Appl.8,2990(2019))，可以进一步深化和拓展涡旋光束的应用潜力和应用领域。例如，宽带涡旋光束就具有通过锁模效应产生飞秒脉冲涡旋激光的潜力(Chang M.T.,Huang T.L.,Liang H.C.et al.,"Broad expansion of opticalfrequency combs by self-Raman scattering in coupled-cavity self-mode-lockedmonolithic lasers",Opt.Express 25,7627(2017))。一般产生涡旋光源的方式方法多依靠光束的腔外调制，例如使用空间光调制器、螺旋相位板等(Wang X.W.,Nie Z.Q.,LiangY.et al.,"Recent advances on optical vortex generation",Nanophotonics 7,1533(2018))。此类方法具有下述缺点：在光束质量和产生效率方面效果欠佳；激光功率将受限于使用的调制器件；整体系统复杂性高。在此基础再利用利用激光的非线性效应(例如拉曼效应(Pask H.M.and Piper J.A.,"Raman lasers",in Handbook of Solid-StateLasers:Materials,Systems and Applications ch.17,493(2013))、倍频效应等)来产生具有不同波长或具有不同光谱特性的涡旋激光，将使得常用方法的上述缺陷被进一步扩大，这将会极大地限制涡旋光束在实际使用中的应用场景。
发明内容
本发明的目的在于提供结构简单、成本低，有利于实现宽带涡旋激光器的小型化、集成化，可实现高效、稳定、光束质量高的宽带涡旋光输出，可针对性调制具有不同中心波长宽带涡旋激光输出，适用于不同应用场合的一种拓扑荷数可调控的宽带涡旋拉曼微片激光器。
本发明设有沿光轴方向依次设有半导体激光器泵浦源、准直透镜、环形空心光聚焦透镜和激光谐振腔，各部件的几何中心均位于同一水平光轴上；所述激光谐振腔由激光晶体、拉曼晶体和材料表面的电介质镀膜构成；激光晶体和拉曼晶体相互紧贴；环形空心聚焦透镜和激光谐振腔固定于水平移动支架上，可沿光束传输方向前后移动；从泵浦源发出的泵浦光经准直后由环形空心聚焦透镜聚焦为环形光束并对激光晶体进行泵浦，输出拓扑荷数可调LG0,n模式的宽带涡旋激光。
所述泵浦源为光纤耦合半导体激光器或输出光束可整形为近似方形的单管半导体激光器；所述泵浦源的输出功率在瓦至几十瓦量级。
所述泵浦源产生的泵浦光经过准直镜和环形空心光聚焦镜后形成环形聚焦光束；所述环形聚焦光的焦斑尺寸控制在几十微米至百微米量级；所述环形聚焦光的焦点可位于激光晶体的泵浦光入射表面外至多一两个毫米，或位于激光晶体内至多达晶体尺寸端面的位置，或位于所述两边缘位置之间。
所述激光晶体为掺杂稀土离子的激光晶体；激光晶体的基质包括且不限于钇铝石榴石晶体(YAG)、钒酸钇晶体(YVO4)；其掺杂稀土离子包括且不限于镱离子(Yb3+)、钕离子(Nd3+)。
所述拉曼晶体为具有高拉曼增益的激光晶体；拉曼晶体的基质包括且不限于钒酸钇晶体(YVO4)、钨酸钾钆晶体(KGW)；拉曼晶体既可掺杂稀土离子也可不掺杂稀土离子；所述拉曼晶体在通光方向的尺寸为毫米量级。
所述激光晶体和拉曼晶体被夹持固定，其表面均镀有电介质镀膜；所述激光谐振腔的全反射镜为激光晶体表面的电介质镀膜；所述激光谐振腔的输出镜可为拉曼晶体表面的电介质镀膜或外加的输出耦合镜表面的电介质镀膜。
所述环形空心光聚焦透镜和激光谐振腔分别固定于可延光束传输方向水平移动的支架上。
本发明根据激光增益与激光光束的模式匹配产生具有不同阶数的涡旋光束；所述模式匹配由入射泵浦光功率、环形聚焦光束的焦点尺寸及其焦点与激光晶体的相对位置决定；所述焦点尺寸和焦点的位置受环形空心光聚焦透镜和激光谐振腔的水平移动控制。
本发明依靠拉曼晶体的非线性效应产生具有宽带光谱的激光输出。
所述激光晶体和拉曼晶体的接触表面均可镀有泵浦波长对应的增透膜；所述激光晶体在两个端面分别镀有基频激光波长和拉曼激光波长对应的高反膜和增透膜；所述拉曼晶体在一个端面镀有基频激光波长和拉曼激光波长对应的增透膜，另一端面镀有基频激光波长对应的高反膜；当有额外输出耦合镜时拉曼晶体的另一端面也镀有拉曼激光波长对应的增透膜，而输出耦合镜端面镀有拉曼激光波长对应的部分反射膜作为谐振腔输出镜；当没有额外输出耦合镜时拉曼晶体的另一端面也镀有拉曼激光波长对应的部分反射膜作为谐振腔输出镜。
所述高反膜的反射率在99.9％以上；所述增透膜的反射率在1％以上；部分反射膜反射率在98％以上且在高反膜反射率以下。
采用上述的技术方案，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明的激光器腔长短、晶体镀膜一般无需特殊设计；且输出激光涡旋特性的调控仅取决于泵浦光功率、环形聚焦光焦点的尺寸和相对位置；宽带光谱特性仅受激光晶体发射谱、拉曼晶体特性与输出镜透射率影响。因而具有结构简单、成本低的特点，有利于实现宽带涡旋激光器的小型化、集成化。
2、本发明采用的激光器设计为端面泵浦的固体激光器，且除激光晶体和拉曼晶体外无需其它光学元件，因而可以实现高效、稳定、光束质量高的宽带涡旋光输出。
3、本发明根据使用的激光晶体与拉曼晶体的选择和镀膜的设计可针对性调制具有不同中心波长宽带涡旋激光输出，因而可适用于不同的应用场合。
附图说明
图1为本发明实施例的结构组成示意图；
图2为本发明实施例输出的涡旋光的横截面图样；
图3为本发明实施例输出的涡旋光的典型拉曼光光谱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本作发明作进一步说明。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。同样地，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例激光器沿z轴方向依次设有的泵浦源1、准直透镜2、环形空心光聚焦透镜3、激光晶体4、拉曼晶体5；激光晶体4和拉曼晶体5相互紧贴且裹有铟箔并由紫铜夹具夹持。
本实施例激光谐振腔由激光晶体4表面的第一电介质镀膜6、激光晶体4、拉曼晶体5和拉曼晶体5表面的第二电介质镀膜7组成。
所述泵浦源1的输出端面、准直透镜2、环形空心光聚焦透镜3、激光晶体4、拉曼晶体5的几何中心处于z轴上并垂直放置，如图1所示；所述环形空心光聚焦透镜3和激光谐振腔分别安装于两个可水平移动的支架上，从而可通过它们的水平移动调整聚焦光束焦斑尺寸以及焦点相对于激光晶体的位置。
所述焦点相对位置以激光晶体4的泵浦光入射面为准记为Δz，如图1所示；Δz<0表示焦点位于激光晶体外侧，反之表示焦点位于激光晶体内侧。
本实施例中，所述泵浦源1选取以连续光输出模式运行的光纤耦合半导体激光器；泵浦源输出光束的中心波长为940nm；耦合光纤纤芯直径为200μm，数值孔径为0.22。
本实施例中，环形聚焦光的焦斑尺寸约为120μm。
本实施例中，所述激光晶体4选取掺杂浓度为10at.％、厚度为1mm、直径为10mm的Yb:YAG晶体；第一电介质镀膜6为940nm波长的增透膜和1050nm～1070nm波长的高反膜。
本实施例中，所述拉曼晶体5选取切向为c-cut的厚度为1.5mm、长宽分别为10mm和6mm的YVO4晶体；YVO4晶体表面的第二电介质镀膜7为940nm波长的增透膜、1050nm波长的高反膜和1070nm波长的部分反射膜。
本实施例中，所述两晶体的接触表面还镀有泵浦光波长、基频激光波长和拉曼激光波长对应的增透膜。
本实施例中，调节焦点位置约为Δz＝-0.2毫米，在泵浦源输出功率约为4.5瓦时，得到的输出激光横模图样和拉曼激光光谱分别如图2和3所示；该输出激光是阶数为2的涡旋光束，其拉曼激光谱宽度约为4纳米，若调节环形空心聚焦光的焦斑尺寸、焦点位置以及入射泵浦功率，拉曼激光光谱宽度可达十几纳米量级。
本发明提供一种拓扑荷数可调控的宽带涡旋拉曼微片激光器。设有半导体激光器泵浦源、准直透镜、环形空心光聚焦透镜和激光谐振腔；其中，所述泵浦源的发射端、准直透镜、环形空心光聚焦透镜和激光谐振腔的几何中心均位于同一水平光轴上；激光谐振腔中包括相互紧贴的激光晶体和拉曼晶体，谐振腔由晶体表面的电介质镀膜构成；环形空心聚焦透镜和激光谐振腔固定于水平移动支架上，可沿光束传输方向前后移动；从泵浦源发出的泵浦光经准直后由环形空心聚焦透镜聚焦为环形光束并对激光晶体进行泵浦，输出拓扑荷数可调LG0,n模式的宽带涡旋激光。本发明提出的拉曼激光器具有结构简单、成本低、光束质量高的特点，有利于实现激光器的小型化、集成化，是能够实现宽带涡旋拉曼激光光输出的有效办法。
Claims (10)
1.一种拓扑荷数可调控的宽带涡旋拉曼微片激光器，其特征在于沿光轴方向依次设有泵浦源、准直透镜、环形空心光聚焦透镜和激光谐振腔，各部件的几何中心均位于同一水平光轴上；所述激光谐振腔由激光晶体、拉曼晶体和材料表面的电介质镀膜构成；激光晶体和拉曼晶体相互紧贴；环形空心光聚焦透镜和激光谐振腔固定于水平移动支架上，沿光束传输方向前后移动；从泵浦源发出的泵浦光经准直后由环形空心光聚焦透镜聚焦为环形光束并对激光晶体进行泵浦，输出拓扑荷数可调LG0,n模式的宽带涡旋激光。
2.如权利要求1所述一种拓扑荷数可调控的宽带涡旋拉曼微片激光器，其特征在于所述泵浦源为光纤耦合半导体激光器或输出光束可整形为类方形的单管半导体激光器；所述泵浦源的输出功率在瓦至几十瓦量级。
3.如权利要求1所述一种拓扑荷数可调控的宽带涡旋拉曼微片激光器，其特征在于所述激光晶体为掺杂稀土离子的激光晶体；激光晶体的基质包括钇铝石榴石晶体、钒酸钇晶体；其掺杂稀土离子包括镱离子、钕离子。
4.如权利要求1所述一种拓扑荷数可调控的宽带涡旋拉曼微片激光器，其特征在于所述拉曼晶体为具有高拉曼增益的激光晶体；拉曼晶体的基质包括钒酸钇晶体、钨酸钾钆晶体；拉曼晶体掺杂稀土离子或不掺杂稀土离子；所述拉曼晶体在通光方向的尺寸为毫米量级。
5.如权利要求1所述一种拓扑荷数可调控的宽带涡旋拉曼微片激光器，其特征在于所述激光晶体和拉曼晶体被夹持固定，其表面均镀有电介质镀膜；所述激光谐振腔的全反射镜为激光晶体表面的电介质镀膜；所述激光谐振腔的输出镜为拉曼晶体表面的电介质镀膜或外加的输出耦合镜表面的电介质镀膜。
6.如权利要求1所述一种拓扑荷数可调控的宽带涡旋拉曼微片激光器，其特征在于所述环形空心光聚焦透镜和激光谐振腔分别固定于沿光束传输方向水平移动的支架上。
7.如权利要求1所述一种拓扑荷数可调控的宽带涡旋拉曼微片激光器，其特征在于其根据激光增益与激光光束的模式匹配产生具有不同阶数的涡旋光束；所述模式匹配由入射泵浦光功率、环形聚焦光束的焦点尺寸及其焦点与激光晶体的相对位置决定；所述焦点尺寸和焦点的位置受环形空心光聚焦透镜和激光谐振腔的水平移动控制。
8.如权利要求1所述一种拓扑荷数可调控的宽带涡旋拉曼微片激光器，其特征在于其依靠拉曼晶体的非线性效应产生具有宽带光谱的激光输出。
9.如权利要求1所述一种拓扑荷数可调控的宽带涡旋拉曼微片激光器，其特征在于所述激光晶体和拉曼晶体的接触表面均镀有泵浦波长对应的增透膜；所述激光晶体在两个端面分别镀有基频激光波长和拉曼激光波长对应的高反膜和增透膜；所述拉曼晶体在一个端面镀有基频激光波长和拉曼激光波长对应的增透膜，另一端面镀有基频激光波长对应的高反膜；当有额外输出耦合镜时拉曼晶体的另一端面也镀有拉曼激光波长对应的增透膜，而输出耦合镜端面镀有拉曼激光波长对应的部分反射膜作为谐振腔输出镜；当没有额外输出耦合镜时拉曼晶体的另一端面也镀有拉曼激光波长对应的部分反射膜作为谐振腔输出镜。
10.如权利要求9所述一种拓扑荷数可调控的宽带涡旋拉曼微片激光器，其特征在于所述高反膜的反射率在99.9%以上；所述增透膜的反射率在1%以上；部分反射膜反射率在98%以上且在高反膜反射率以下。
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-
2022
- 2022-01-19 CN CN202210060633.6A patent/CN114421274B/zh active Active
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| Title |
|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114421274A (zh) | 2022-04-29 |
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