CN114498272A - 一种中红外矢量涡旋光发生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中红外矢量涡旋光发生装置及方法，其中，装置包括：用于发射激光束的泵浦光源、与泵浦光源相对设置且用于调整激光束的形状及大小的整形聚焦结构以及与整形聚焦结构相对设置且用于产生矢量涡旋光束的谐振腔结构；泵浦光源、整形聚焦结构以及谐振腔结构依次设置在同一光轴上，且泵浦光源、整形聚焦结构以及谐振腔结构分别与底座固定连接。本发明基于锥透镜组的整形聚焦结构对泵浦源发射的激光束进行整形，得到环形光束，并通过谐振腔结构中的钇铝石榴石晶体产生具有偏振特性的高阶拉盖尔‑高斯涡旋光束，以及利用双折射晶体分离o光与e光，从而得到稳定的角向与径向的矢量偏振涡旋光束，实现了中红外波段的空间结构光稳定输出。

Description

一种中红外矢量涡旋光发生装置及方法

技术领域

本发明涉及固体激光器应用领域，尤其涉及的是一种中红外矢量涡旋光发生装置及方法。

背景技术

中红外激光可以对应大气传输透明窗口，并覆盖众多分子吸收峰，在军事、医疗、遥感以及光谱学等领域具有重要应用；而矢量涡旋光束是一种具有轨道角动量且光束横截面偏振状态呈各向异性分布的结构光束；由于，其独特的螺旋相位结构以及各向异性分布的偏振状态，矢量涡旋光束在光通信、激光加工、离子操纵以及量子技术等领域有着广阔的应用前景。因此，如何产生矢量涡旋光束吸引了众多学者的目光，也取得了众多成果。

目前，产生矢量涡旋光束的方式可以分为两类，一类是主动产生方式，另一类则是被动转换方式；其中，主动产生方式是指在激光器谐振腔内直接输出涡旋矢量光束，而被动转换方式则是通过一些光学元件(例如：空间光调制器)在谐振腔外将信号光转换为矢量涡旋光束。

就目前产生矢量涡旋光束的方式而言，主动产生方式的效率较低且操作复杂，而相比于主动产生方式，被动转换方式要简便快捷一些；但是，在谐振腔内直接产生矢量涡旋灌输的方式可以得到纯度更高的光束模式，传输更稳定等优势。

因此，现有技术还有待改进。

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，本发明提供一种中红外矢量涡旋光发生装置及方法，以解决现有的被动转换方式产生的矢量涡旋光束纯度低以及传输不稳定的技术问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种中红外矢量涡旋光发生装置，包括：用于发射激光束的泵浦光源、与所述泵浦光源相对设置且用于调整所述激光束的形状及大小的整形聚焦结构以及与所述整形聚焦结构相对设置且用于产生矢量涡旋光束的谐振腔结构；

所述泵浦光源、所述整形聚焦结构以及所述谐振腔结构依次设置在同一光轴上，且所述泵浦光源、所述整形聚焦结构以及所述谐振腔结构分别与底座固定连接。

在一种实现方式中，所述谐振腔结构包括：设置在整形后的激光束腰处的掺铒钇铝石榴石晶体、与所述掺铒钇铝石榴石晶体相对设置的腔内聚焦透镜以及与所述腔内聚焦透镜相对设置的双折射晶体；

所述掺铒钇铝石榴石晶体、所述腔内聚焦透镜以及所述双折射晶体依次设置在同一光轴上；所述掺铒钇铝石榴石晶体通过夹具设于所述谐振腔结构的腔体中，所述腔内聚焦透镜以及所述双折射晶体分别内嵌于所述谐振腔结构的腔体中。

在一种实现方式中，所述谐振腔结构还包括：用于控制所述掺铒钇铝石榴石晶体温度的铜质水冷夹具；

所述铜质水冷夹具包括：设置于所述掺铒钇铝石榴石晶体上方的第一夹块和设置于所述掺铒钇铝石榴石晶体下方的第二夹块，所述第一夹块及所述第二夹块将所述掺铒钇铝石榴石晶体的上表面、下表面以及两侧面包围；

所述掺铒钇铝石榴石晶体在所述第一夹块和所述第二夹块的夹击下设于所述谐振腔结构的腔体中。

在一种实现方式中，所述谐振腔结构还包括：前腔镜和后腔镜；所述前腔镜和所述后腔镜分别嵌于所述谐振腔结构的两端，其中，所述前腔镜设置在所述谐振腔结构的面向所述整形聚焦结构的一端，所述后腔镜设置在所述谐振腔结构的照射方向的一端。

在一种实现方式中，所述前腔镜设置有高透膜和第一高反膜；所述高透膜和所述第一高反膜依次设置在所述前腔镜面向所述掺铒钇铝石榴石晶体的一端；所述高透膜为泵浦光高透膜，所述第一高反膜为激光高反膜；所述后腔镜设置有第二高反膜，所述第二高反膜设置在面向所述双折射晶体的一端，所述第二高反膜为激光高反膜。

在一种实现方式中，所述泵浦光源包括：激光二极管；所述激光二极管通过光纤耦合器连接，且耦合连接后的所述激光二极管发射的激光束正对所述整形聚焦结构。

在一种实现方式中，所述整形聚焦结构包括：依次设置的第一凸透镜、第一锥透镜、第二锥透镜以及第二凸透镜；所述第一锥透镜的锥面与所述第二锥透镜的锥面相对设置；所述第一凸透镜设置在所述整形聚焦结构的面向所述泵浦光源的一端，所述第二凸透镜设置在所述整形聚焦结构的面向所述谐振腔结构的一端。

第二方面，本发明提供一种中红外矢量涡旋光发生方法，包括：

控制泵浦光源发射预设波长的激光束；

通过整形聚焦结构调整所述激光束的形状和尺寸，得到环形激光束；

通过谐振腔结构调整受所述环形激光束激发产生的高阶拉盖尔-高斯光束的聚焦状态和偏振状态，得到矢量涡旋光束。

在一种实现方式中，所述通过整形聚焦结构调整所述激光束的形状和尺寸，包括：

调整所述整形聚焦结构内的第一凸透镜的位置，将所述泵浦光源发射的激光束整形为平行光束；

调整所述整形聚焦结构内的第一锥透镜的位置，将所述平行光束转换为交叉激光束；

调整所述整形聚焦结构内的第二锥透镜的位置，将所述交叉激光束转换为环形激光束并调整所述环形激光束的尺寸；

调整所述整形聚焦结构内的第二凸透镜的位置，调整所述环形激光束的束腰位置。

在一种实现方式中，所述通过谐振腔结构调整受所述环形激光束激发产生的高阶拉盖尔-高斯光束的聚焦状态和偏振状态，包括：

通过掺铒钇铝石榴石晶体激发产生高阶拉盖尔-高斯光束，并由掺铒钇铝石榴石晶体的热致双折射效应，激发产生的拉盖尔-高斯光束具有偏振特性；

调整腔内聚焦透镜的位置，将所述高阶拉盖尔-高斯光束由发散状态转换为会聚状态；

通过双折射晶体对会聚状态的高阶拉盖尔-高斯光束进行双折射，得到分离的角向偏振光和径向偏振光；

调整后腔镜与所述双折射晶体之间的距离，得到预设偏振态的矢量涡旋光束。

本发明采用上述技术方案具有以下效果：

本发明基于锥透镜组的整形聚焦结构对泵浦源发射的激光束进行整形，得到环形光束，并通过谐振腔结构中的钇铝石榴石晶体产生具有偏振特性的高阶拉盖尔-高斯涡旋光束，以及利用双折射晶体分离o光与e光，从而得到稳定的角向与径向的矢量偏振涡旋光束；本发明可以借助环形光特殊的光强分布以及双折射效应对矢量光偏振特性的区分，实现偏振矢量可控的中红外矢量涡旋光束的产生，且模式纯度高，解决了被动转换方式产生的矢量涡旋光束纯度低以及传输不稳定的问题，实现了中红外波段的空间结构光稳定输出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是本发明中红外矢量涡旋光发生装置的结构示意图。

图2是本发明锥透镜组的结构示意图。

图3是本发明中红外矢量涡旋光发生方法的流程图。

图中：1、泵浦光源；2、整形聚焦结构；3、谐振腔结构；21、第一凸透镜；22、第一锥透镜；23、第二锥透镜；24、第二凸透镜；31、掺铒钇铝石榴石晶体；32、腔内聚焦透镜；33、双折射晶体；34、铜质水冷夹具；35、前腔镜；36、后腔镜。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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。

实施例一

如图1和图2所示，本发明实施例提供一种中红外矢量涡旋光发生装置，所述中红外矢量涡旋光发生装置包括：用于发射激光束的泵浦光源1、与所述泵浦光源1相对设置且用于调整所述激光束的形状及大小的整形聚焦结构2以及与所述整形聚焦结构2相对设置且用于产生矢量涡旋光束的谐振腔结构3；

所述泵浦光源1、所述整形聚焦结构2以及所述谐振腔结构3依次设置在同一光轴上，且所述泵浦光源1、所述整形聚焦结构2以及所述谐振腔结构3分别与底座固定连接。

在本实施例中，所述泵浦光源1可用于提供指定波长的泵浦光束；所述整形聚焦结构2可用于将所述泵浦光源1发射的圆形光束调整为环形光束，而且还可以调整光束的束腰半径尺寸和位置，从而使其与所述谐振腔结构3的本征膜束腰尺寸和位置相匹配；所述谐振腔结构3可以受泵浦光束激发产生具有径向偏振态和角向偏振态的高阶拉盖尔-高斯光束，且可以将产生的高阶拉盖尔-高斯光束准直后呈会聚状，以及将呈会聚状的高阶拉盖尔-高斯光束分为角向偏振光和径向偏振光，从而得到偏振矢量可控的中红外矢量涡旋光束。

在一种实现方式中，所述泵浦光源1包括：激光二极管；所述激光二极管通过光纤耦合器连接，且耦合连接后的所述激光二极管发射的激光束正对所述整形聚焦结构2。

具体地，在所述多个激光二极管中，可采用976nm型号的激光二极管作为所述泵浦光源1，以此向所述整形聚焦结构2发射泵浦光束；即通过所述激光二极管可以发射波长为976nm的泵浦光束，以此向所述整形聚焦结构2发射指定波长的激光束。

在一种实现方式中，所述整形聚焦结构2包括：依次设置的第一凸透镜21、第一锥透镜22、第二锥透镜23以及第二凸透镜24；所述第一锥透镜22的锥面与所述第二锥透镜23的锥面相对设置；所述第一凸透镜21设置在所述整形聚焦结构2的面向所述泵浦光源1的一端，所述第二凸透镜24设置在所述整形聚焦结构2的面向所述谐振腔结构3的一端。

具体地，所述整形聚焦结构2由两个不同的透镜组构成；其中，一组透镜组包括：两个平凸透镜，即所述第一凸透镜21和所述第二凸透镜24；另外一组透镜组包括：两个锥透镜，即所述第一锥透镜22和所述第二锥透镜23；通过两个不同的透镜组的作用，可以将所述泵浦光源1发射的扩散光束调整为平行光束，并且，将所述平行光束改变为环形光束，从而使所述泵浦光源1发射的激光束与所述谐振腔结构3的本征膜束腰尺寸和位置相匹配。

进一步地，所述第一凸透镜21和所述第二凸透镜24为相同材质的凸透镜；通过所述第一凸透镜21可以对所述泵浦光源1发射的激光束进行整形，从而将所述泵浦光源1发射的扩散光束调整为平行光束。

进一步地，通过所述第二锥透镜23可以改变环形光束的半径尺寸，从而使得改变后的环形光束的尺寸经第二凸透镜24的聚焦后与所述谐振腔结构3的本征膜束腰尺寸相匹配，并且使得改变后的环形光束的位置与所述谐振腔结构3的本征膜束腰位置相匹配；因此，通过调节所述第二锥透镜23以及第二凸透镜24的所在位置，即可将环形光束的尺寸调节到指定尺寸，以及将环形光束的位置调节到指定位置，从而与所述谐振腔结构3相匹配。

进一步地，如图2所示，为了使圆形泵浦光(即平行光束)整形为环形光束，在使用所述第一凸透镜21将所述泵浦光源1的扩束调整为平行光束后，以水平的方式入射到所述第一锥透镜22上；在本实施例中，所述第一锥透镜22和所述第二锥透镜23为相同材质且相同光学参数的锥透镜；其中，每个锥透镜的物理底角为10°，折射光与光轴产生的偏转角约为4.58°，基底为紫外熔融石英材质，且对976nm的泵浦光有较高透过率。

进一步地，在本实施例中，入射圆形泵浦光与出射环形泵浦光的尺寸可根据如下公示计算：

R＝Ltan(n-1)α；

其中，R为出射环形泵浦光环的半径，L为两块锥透镜之间的距离，n为锥透镜折射率，α为锥透镜物理底角。

需要注意的是，在两块锥透镜之间有一块区域是泵浦光重叠区域，L至少需要大于这个区域才能整形为环形，可根据如下公示计算：

L>l＝r/(n-1)tanα；

其中，r为入射圆形泵浦光光斑半径。

在一种实现方式中，所述谐振腔结构3包括：设置在整形后的激光束腰处的掺铒钇铝石榴石晶体31、与所述掺铒钇铝石榴石晶体31相对设置的腔内聚焦透镜32以及与所述腔内聚焦透镜32相对设置的双折射晶体33；其中，所述掺铒钇铝石榴石晶体31、所述腔内聚焦透镜32以及所述双折射晶体33依次设置在同一光轴上；所述掺铒钇铝石榴石晶体31通过夹具设于所述谐振腔结构3的腔体中，所述腔内聚焦透镜32以及所述双折射晶体33分别内嵌于所述谐振腔结构3的腔体中。

在本实施例中，所述掺铒钇铝石榴石晶体31作为增益介质，其尺寸为2mm×2mm×10mm，设置于976nm环形光束的束腰处；受环形光束的激发作用，在所述掺铒钇铝石榴石晶体31已达到粒子数反转后，可以发射出2.9μm高阶拉盖尔-高斯光束；由于，所述掺铒钇铝石榴石晶体31具有热致双折射效应；因此，环形光束激发所述掺铒钇铝石榴石晶体31后，产生的高阶拉盖尔-高斯光束同时具有径向偏振状态和角向偏振状态。

进一步地，在本实施例中，所述腔内聚焦透镜32设置于所述掺铒钇铝石榴石晶体31之后，所述腔内聚焦透镜32可以将所述掺铒钇铝石榴石晶体31产生的高阶拉盖尔-高斯光束进行准直，从而使得准直后的高阶拉盖尔-高斯光束呈会聚状。

进一步地，在本实施例中，所述双折射晶体33设置于所述腔内聚焦透镜32之后，呈会聚状的高阶拉盖尔-高斯光束经过所述双折射晶体33后，由于双折射现象会分为o光和e光这两束光；其中，所述o光和所述e光分别为角向偏振光和径向偏振光；经过所述双折射晶体33的双折射作用后，即可得到偏振矢量可控的中红外矢量涡旋光束。

在一种实现方式中，所述谐振腔结构3还包括：用于控制所述掺铒钇铝石榴石晶体31温度的铜质水冷夹具34；所述铜质水冷夹具34包括：设置于所述掺铒钇铝石榴石晶体31上方的第一夹块和设置于所述掺铒钇铝石榴石晶体31下方的第二夹块，所述第一夹块及所述第二夹块将所述掺铒钇铝石榴石晶体31的上表面、下表面以及两侧面包围，即两夹块将所述掺铒钇铝石榴石晶体31包围，只露出正对腔镜的前端面和后端面，从而使得所述掺铒钇铝石榴石晶体31在所述第一夹块和所述第二夹块的夹击下设于所述谐振腔结构3的腔体中。通过所述铜质水冷夹具34可以控制所述掺铒钇铝石榴石晶体31的温度。

在一种实现方式中，所述谐振腔结构3还包括：前腔镜35和后腔镜36；所述前腔镜35和所述后腔镜36分别嵌于所述谐振腔结构3的两端，其中，所述前腔镜35设置在所述谐振腔结构3的面向所述整形聚焦结构2的一端，所述后腔镜36设置在所述谐振腔结构3的出射方向的一端。

具体地，所述前腔镜35和所述后腔镜36均为平面镜，且所述前腔镜35和所述后腔镜36均镀有多层膜；其中，所述前腔镜35镀有高透膜和第一高反膜；所述高透膜和所述第一高反膜依次设置在所述前腔镜35面向所述掺铒钇铝石榴石晶体31的一端；所述高透膜可以是976nm增透膜，所述第一高反膜可以是2.7μm-3.0μm宽带高反膜。所述后腔镜36镀有第二高反膜，所述第二高反膜设置在所述后腔镜36的面向双折射晶体33的一端；所述第二高反膜也可以是2.7μm-3.0μm宽带高反膜。

在本实施例中，通过在所述前腔镜35上设置高透膜和高反膜，可以将所述前腔镜35作为所述谐振腔结构3的输入透镜，从而对泵浦光进行增透以及对信号光进行高反射；以及通过在所述后腔镜36上设置高反膜，可以将所述后腔镜36作为所述谐振腔结构3的输出透镜，从而对信号光进行高反射，并将没有反射的少量的信号光输出。

在本实施例中，由于，在所述双折射晶体33中，径向偏振态的拉盖尔-高斯光束的折射角更大，且径向偏振光在腔内的稳腔腔长会比角向偏振光的稳腔腔长更长一些；因此，可以改变所述谐振腔结构3的谐振腔长度，也就是通过移动所述后腔镜36的位置控制输出光的矢量偏振状态，即可得到偏振矢量可控的中红外矢量涡旋光束。

本发明通过上述实施例达到以下技术效果：

本实施例通过整形聚焦结构得到的环形泵浦光，与高阶拉盖尔-高斯光束有着更好的匹配效果；而且，通过将产生的涡旋光束与矢量光束结合在一起，借助增益介质的热致双折射效应，可以直接在腔内产生具有矢量偏振特性的涡旋光束，再利用双折射晶体将不同矢量偏振的涡旋光束进行分离，得到的输出光模式纯度更高；另外，借助环形光特殊的光强分布效应以及双折射晶体对矢量光偏振特性的区分效应，实现了偏振矢量可控的中红外矢量涡旋光束的产生方式，相较传统的方法更灵活，在实际应用中更可控。

实施例二

如图3所示，本发明实施例提供一种中红外矢量涡旋光发生方法，所述中红外矢量涡旋光发生方法包括以下步骤：

步骤S100，控制泵浦光源发射预设波长的激光束。

在本实施例中，所述中红外矢量涡旋光发生方法基于上述的中红外矢量涡旋光发生装置而实现；其中，所述中红外矢量涡旋光发生装置的结构具体如上所述。

在一种实现方式中，可通过控制泵浦光源发射预设波长的激光束，得到中红外激光束；在本实施例中，采用976nm型号的激光二极管作为泵浦光源，以此提供泵浦光束；通过所述泵浦光源可以发射波长为976nm的泵浦光束，以此向所述中红外矢量涡旋光发生装置的整形聚焦结构发射预设波长(所述预设波长为976nm)的激光束。

如图3所示，在本发明实施例的一种实现方式中，中红外矢量涡旋光发生方法还包括以下步骤：

步骤S200，通过整形聚焦结构调整所述激光束的形状和尺寸，得到环形激光束。

在本实施例中，所述中红外矢量涡旋光发生装置的整形聚焦结构由两个不同的透镜组构成；其中，一组透镜组包括：两个平凸透镜，即第一凸透镜和第二凸透镜；另外一组透镜组包括：两个锥透镜，即第一锥透镜和第二锥透镜；通过两个不同的透镜组的作用，可以将所述泵浦光源发射的扩散光束调整为平行光束，并且，将所述平行光束改变为环形光束，从而使所述泵浦光源发射的激光束与所述谐振腔结构的本征膜束腰尺寸和位置相匹配。

具体地，所述第一凸透镜和所述第二凸透镜为相同材质的凸透镜；通过所述第一凸透镜可以对所述泵浦光源发射的激光束进行整形，从而将所述泵浦光源发射的扩散光束调整为平行光束。

进一步地，为了使圆形泵浦光(即平行光束)整形为环形光束，在使用所述第一凸透镜将所述泵浦光源的扩束调整为平行光束后，以水平的方式入射到所述第一锥透镜上；在本实施例中，所述第一锥透镜和所述第二锥透镜为相同材质且相同光学参数的锥透镜；其中，每个锥透镜的物理底角为10°，折射光与光轴产生的偏转角约为4.58°，基底为紫外熔融石英材质，且对976nm的泵浦光有较高透过率。

进一步地，在所述第一凸透镜位置调整好的情况下，通过配合调整所述第一锥透镜和所述第二锥透镜的位置，即可调整出射环形泵浦光的尺寸；在本实施例中，入射圆形泵浦光与出射环形泵浦光的尺寸可根据如下公示计算：

R＝Ltan(n-1)α；

其中，R为出射环形泵浦光环的半径，L为两块锥透镜之间的距离，n为锥透镜折射率，α为锥透镜物理底角。

需要注意的是，在两块锥透镜之间有一块区域是泵浦光重叠区域，L至少需要大于这个区域才能整形为环形，可根据如下公示计算：

L>l＝r/(n-1)tanα；

其中，r为入射圆形泵浦光光斑半径。

进一步地，通过所述第二锥透镜以及第二凸透镜可以改变环形光束的半径尺寸，从而使得改变后的环形光束的尺寸和位置与所述谐振腔结构的本征膜束腰尺寸和位置相匹配；因此，通过调节所述第二锥透镜以及第二凸透镜的所在位置，即可将环形光束的尺寸调节到指定尺寸，以及将环形光束的位置调节到指定位置，从而与所述谐振腔结构相匹配。

即在本实施例的一种实现方式中，步骤S200具体包括以下步骤：

步骤S210，调整所述整形聚焦结构内的第一凸透镜的位置，将所述泵浦光源发射的激光束整形为平行光束；

步骤S220，调整所述整形聚焦结构内的第一锥透镜的位置，将所述平行光束转换为交叉激光束；

步骤S230，调整所述整形聚焦结构内的第二锥透镜的位置，将所述交叉激光束转换为环形激光束并调整所述环形激光束的尺寸；

步骤S240，调整所述整形聚焦结构内的第二凸透镜的位置，调整所述环形激光束的束腰位置。

本实施例通过调整所述整形聚焦结构内透镜组的位置关系，可将泵浦光调整为环形光束，并将环形光束的尺寸调节到指定尺寸，以及将环形光束的位置调节到指定位置，从而入射光与所述谐振腔结构相匹配。

如图3所示，在本发明实施例的一种实现方式中，中红外矢量涡旋光发生方法还包括以下步骤：

步骤S300，通过谐振腔结构调整所述受环形激光束激发产生的高阶拉盖尔-高斯光束的聚焦状态和偏振状态，得到矢量涡旋光束。

在本实施例中，所述谐振腔结构中的掺铒钇铝石榴石晶体可以作为增益介质，设置于976nm环形光束的束腰处；受环形光束的激发作用，在所述掺铒钇铝石榴石晶体已达到粒子数反转后，可以发射出2.9μm高阶拉盖尔-高斯光束；由于，所述掺铒钇铝石榴石晶体具有热致双折射效应；因此，通过所述掺铒钇铝石榴石晶体后，产生的高阶拉盖尔-高斯光束同时具有径向偏振状态和角向偏振状态。

进一步地，所述腔内聚焦透镜设置于所述掺铒钇铝石榴石晶体之后，所述腔内聚焦透镜可以将所述掺铒钇铝石榴石晶体产生的高阶拉盖尔-高斯光束进行准直，从而使得准直后的高阶拉盖尔-高斯光束呈会聚状；因此，通过调整所述腔内聚焦透镜的位置，可以决定高阶拉盖尔-高斯光束的会聚位置，从而在该位置处呈现会聚状态。

进一步地，所述双折射晶体设置于所述腔内聚焦透镜之后，呈会聚状的高阶拉盖尔-高斯光束经过所述双折射晶体后，由于双折射现象会分为o光和e光这两束光；其中，所述o光和所述e光分别为角向偏振光和径向偏振光；经过所述双折射晶体的双折射作用后，即可得到偏振矢量可控的中红外矢量涡旋光束。

在本实施例中，由于，在所述双折射晶体中，径向偏振态的拉盖尔-高斯光束的折射角更大，且径向偏振光在腔内的稳腔腔长会比角向偏振光的稳腔腔长更长一些；因此，可以改变谐振腔的长度，也就是通过移动所述后腔镜的位置控制输出光的矢量偏振状态，从而得到偏振矢量可控的中红外矢量涡旋光束。

即在本实施例的一种实现方式中，步骤S300具体包括以下步骤：

步骤S310，通过掺铒钇铝石榴石晶体激发产生高阶拉盖尔-高斯光束，并由掺铒钇铝石榴石晶体的热致双折射效应，激发产生的拉盖尔-高斯光束具有偏振特性；

步骤S320，调整腔内聚焦透镜的位置，将所述高阶拉盖尔-高斯光束由发散状态转换为会聚状态；

步骤S330，通过双折射晶体对会聚状态的高阶拉盖尔-高斯光束进行双折射，得到分离的角向偏振光和径向偏振光；

步骤S340，调整后腔镜与所述双折射晶体之间的距离，得到预设偏振态的矢量涡旋光束。

本发明通过上述实施例达到以下技术效果：

本实施例通过整形聚焦结构得到的环形泵浦光，与高阶拉盖尔-高斯光束有着更好的匹配效果；而且，通过将产生的涡旋光束与矢量光束结合在一起，借助增益介质的热致双折射效应，可以直接在腔内产生具有矢量偏振特性的涡旋光束，再利用双折射晶体将不同矢量偏振的涡旋光束进行分离，得到的输出光模式纯度更高；另外，借助环形光特殊的光强分布效应以及双折射晶体对矢量光偏振特性的区分效应，实现了偏振矢量可控的中红外矢量涡旋光束的产生方式，相较传统的方法更灵活，在实际应用中更可控。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一非易失性计算机可读存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本发明所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。

综上，本发明提供了一种中红外矢量涡旋光发生装置及方法，其中，装置包括：用于发射激光束的泵浦光源、与泵浦光源相对设置且用于调整激光束的形状及大小的整形聚焦结构以及与整形聚焦结构相对设置且用于产生矢量涡旋光束的谐振腔结构；泵浦光源、整形聚焦结构以及谐振腔结构依次设置在同一光轴上，且泵浦光源、整形聚焦结构以及谐振腔结构分别与底座固定连接。本发明基于锥透镜组的整形聚焦结构对泵浦源发射的激光束进行整形，得到环形光束，并通过谐振腔结构中的钇铝石榴石晶体产生具有偏振特性的高阶拉盖尔-高斯涡旋光束，以及利用双折射晶体分离o光与e光，从而得到稳定的角向与径向的矢量偏振涡旋光束，实现了中红外波段的空间结构光稳定输出。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种中红外矢量涡旋光发生装置，其特征在于，所述中红外矢量涡旋光发生装置包括：用于发射激光束的泵浦光源、与所述泵浦光源相对设置且用于调整所述激光束的形状及大小的整形聚焦结构以及与所述整形聚焦结构相对设置且用于产生矢量涡旋光束的谐振腔结构；

所述泵浦光源、所述整形聚焦结构以及所述谐振腔结构依次设置在同一光轴上，且所述泵浦光源、所述整形聚焦结构以及所述谐振腔结构分别与底座固定连接。

2.根据权利要求1所述的中红外矢量涡旋光发生装置，其特征在于，所述谐振腔结构包括：设置在整形后的激光束腰处的掺铒钇铝石榴石晶体、与所述掺铒钇铝石榴石晶体相对设置的腔内聚焦透镜以及与所述腔内聚焦透镜相对设置的双折射晶体；

所述掺铒钇铝石榴石晶体、所述腔内聚焦透镜以及所述双折射晶体依次设置在同一光轴上；所述掺铒钇铝石榴石晶体通过夹具设于所述谐振腔结构的腔体中，所述腔内聚焦透镜以及所述双折射晶体分别内嵌于所述谐振腔结构的腔体中。

3.根据权利要求2所述的中红外矢量涡旋光发生装置，其特征在于，所述谐振腔结构还包括：用于控制所述掺铒钇铝石榴石晶体温度的铜质水冷夹具；

所述铜质水冷夹具包括：设置于所述掺铒钇铝石榴石晶体上方的第一夹块和设置于所述掺铒钇铝石榴石晶体下方的第二夹块，所述第一夹块及所述第二夹块将所述掺铒钇铝石榴石晶体的上表面、下表面以及两侧面包围；

所述掺铒钇铝石榴石晶体在所述第一夹块和所述第二夹块的夹击下设于所述谐振腔结构的腔体中。

4.根据权利要求1所述的中红外矢量涡旋光发生装置，其特征在于，所述谐振腔结构还包括：前腔镜和后腔镜；所述前腔镜和所述后腔镜分别嵌于所述谐振腔结构的两端，其中，所述前腔镜设置在所述谐振腔结构的面向所述整形聚焦结构的一端，所述后腔镜设置在所述谐振腔结构的照射方向的一端。

5.根据权利要求4所述的中红外矢量涡旋光发生装置，其特征在于，所述前腔镜设置有高透膜和第一高反膜；所述高透膜和所述第一高反膜依次设置在所述前腔镜面向所述掺铒钇铝石榴石晶体的一端；所述高透膜为泵浦光高透膜，所述第一高反膜为激光高反膜；所述后腔镜设置有第二高反膜，所述第二高反膜设置在面向所述双折射晶体的一端，所述第二高反膜为激光高反膜。

6.根据权利要求1所述的中红外矢量涡旋光发生装置，其特征在于，所述泵浦光源包括：激光二极管；所述激光二极管通过光纤耦合器连接，且耦合连接后的所述激光二极管发射的激光束正对所述整形聚焦结构。

7.根据权利要求1所述的中红外矢量涡旋光发生装置，其特征在于，所述整形聚焦结构包括：依次设置的第一凸透镜、第一锥透镜、第二锥透镜以及第二凸透镜；所述第一锥透镜的锥面与所述第二锥透镜的锥面相对设置；所述第一凸透镜设置在所述整形聚焦结构的面向所述泵浦光源的一端，所述第二凸透镜设置在所述整形聚焦结构的面向所述谐振腔结构的一端。

8.一种中红外矢量涡旋光发生方法，其特征在于，所述中红外矢量涡旋光发生方法包括：

控制泵浦光源发射预设波长的激光束；

通过整形聚焦结构调整所述激光束的形状和尺寸，得到环形激光束；

通过谐振腔结构调整受所述环形激光束激发产生的高阶拉盖尔-高斯光束的聚焦状态和偏振状态，得到矢量涡旋光束。

9.根据权利要求8所述的中红外矢量涡旋光发生方法，其特征在于，所述通过整形聚焦结构调整所述激光束的形状和尺寸，包括：

调整所述整形聚焦结构内的第一凸透镜的位置，将所述泵浦光源发射的激光束整形为平行光束；

调整所述整形聚焦结构内的第一锥透镜的位置，将所述平行光束转换为交叉激光束；

调整所述整形聚焦结构内的第二锥透镜的位置，将所述交叉激光束转换为环形激光束并调整所述环形激光束的尺寸；

调整所述整形聚焦结构内的第二凸透镜的位置，调整所述环形激光束的束腰位置。

10.根据权利要求8所述的中红外矢量涡旋光发生方法，其特征在于，所述通过谐振腔结构调整受所述环形激光束激发产生的高阶拉盖尔-高斯光束的聚焦状态和偏振状态，包括：

通过掺铒钇铝石榴石晶体激发产生高阶拉盖尔-高斯光束，并由掺铒钇铝石榴石晶体的热致双折射效应，激发产生的拉盖尔-高斯光束具有偏振特性；

调整腔内聚焦透镜的位置，将所述高阶拉盖尔-高斯光束由发散状态转换为会聚状态；

通过双折射晶体对会聚状态的高阶拉盖尔-高斯光束进行双折射，得到分离的角向偏振光和径向偏振光；

调整后腔镜与所述双折射晶体之间的距离，得到预设偏振态的矢量涡旋光束。

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