CN114552347A - 一种热调谐空心激光器及变焦系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热调谐空心激光器及变焦系统，热调谐空心激光器包括半导体激光阵列及沿激光出射方向依次设置的空心耦合光系统、增益介质、变焦系统、晶体轴锥和准直轴锥；增益介质的热透镜焦距随半导体激光阵列出射的激光的功率改变而改变，用于获取可调谐空心激光；变焦系统用于对增益介质的热透镜效应进行补偿。本发明利用增益介质的热透镜效应实现了可调谐空心激光，而且通过动态补偿增益介质的热透镜效应，从而提高了空心激光束的输出质量。

Description

一种热调谐空心激光器及变焦系统

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特别是涉及一种热调谐空心激光器及变焦系统。

背景技术

大暗斑和高光强对比度的空心光束具有独特的性质，如强度呈圆筒形分布、 无加热效应以及具有自旋角动量等，这些性质使空心光束在激光光学、光信息 处理、微粒波导、同位素分离、微电子学和材料科学、生物技术、医学以及原 子学、分子学等领域中有着广泛的应用前景。近年来，人们设计和研制出了实 现各种波形变换的光学元件，并实现了不同形式的空心光束，例如，反高斯空 心光束(专利201811357253.9)、双半反高斯空心光束(专利201811357117.X)、 双高斯空心光束、双半高斯空心光束(专利201811208397.8)]、非均匀偏振 空心光束(专利201910065979.3、专利201811449069.7、专利201811357112.7)， 以及多波长空心激光器(专利201910066066.3)等，这些本征模式的空心光束 既有大暗斑尺寸、高光强对比度，又能使中心暗斑面积传输到远场时保持较高 的稳定性。另外，通过谐振腔模式选择获得的空心光束具有激光的全部特性， 使其在扫描成像、被动光学测距和隐形控制等领域也有潜在应用前景。

然而，上述空心激光器往往需要谐振腔器件严格的对准以及对热透镜效应 非常敏感，很难获好的空心光束质量。如何克服谐振腔器件对准困难及热透镜 效应影响的技术难题，提高空心光束质量，成为一个亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种热调谐空心激光器及变焦系统，以克服谐振 腔器件对准困难及热透镜效应影响的技术难题，提高空心光束质量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种热调谐空心激光器，包括半导体激光阵列及沿激光出射方向依次设置 的空心耦合光系统、增益介质、变焦系统、晶体轴锥和准直轴锥；

所述增益介质的热透镜焦距随半导体激光阵列出射的激光的功率改变而 改变，用于获取可调谐空心激光；

所述变焦系统用于对增益介质的热透镜效应进行补偿。

可选的，所述空心耦合光系统包括沿激光出射方向依次设置的平凸透镜、 扩束轴锥和轴锥透镜。

可选的，所述平凸透镜的通光面镀有第一增透膜；所述扩束轴锥的通光面 镀有第二增透膜；所述轴锥透镜的母线面镀有第一高反射膜和第三增透膜，所 述轴锥透镜的凸面镀有第四增透膜和第五增透膜。

可选的，所述变焦系统包括沿激光出射方向依次设置的第一凸透镜、第一 凹透镜、第二凹透镜和第二凸透镜。

可选的，所述第一凸透镜、所述第一凹透镜、所述第二凹透镜和所述第二 凸透镜的通光面均镀有第六增透膜。

可选的，所述变焦系统的组合焦距为：

其中，f_组合表示变焦系统的组合焦距，f₁、f₂、f₃和f₄分别为第一凸透镜、 第一凹透镜、第二凹透镜和第二凸透镜的焦距，Δd₁为第一凸透镜与第一凹透 镜之间的焦点距离、Δd₂为第一凹透镜与第二凹透镜之间的焦点距离，Δd₃为第 二凹透镜与第二凸透镜之间的焦点距离。

可选的，所述增益介质的材料为Nd:YAG晶体，Nd:YAG晶体中钕离子的 掺杂浓度为1.0％，所述增益介质的通光面镀有第七增透膜。

可选的，所述晶体轴锥的负锥面镀有第八增透膜，晶体轴锥的正锥面镀有 第二高反射膜，所述准直轴锥的通光面镀有第九增透膜。

可选的，所述晶体轴锥和所述准直轴锥的参数满足如下关系式：

tanθ＝n₃；

β＝π-2arctann₃；

(n₃-1)(β-γ)＝(n₄-1)(π-ρ)；

其中，θ为进入晶体轴锥的激光的入射角，n₃为晶体轴锥的折射率，β为 晶体轴锥的负锥角，γ为晶体轴锥的正锥角，n₄为准直轴锥的折射率，ρ为准 直轴锥的锥角。

一种变焦系统，其特征在于，所述变焦系统包括沿预设方向依次设置的第 一凸透镜、第一凹透镜、第二凹透镜和第二凸透镜。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开一种热调谐空心激光器，包括半导体激光阵列及沿激光出射方 向依次设置的空心耦合光系统、增益介质、变焦系统、晶体轴锥和准直轴锥； 所述增益介质的热透镜焦距随半导体激光阵列出射的激光的功率改变而改变， 用于获取可调谐空心激光；所述变焦系统用于对增益介质的热透镜效应进行补 偿。本发明利用增益介质的热透镜效应实现了可调谐空心激光，而且通过动态 补偿增益介质的热透镜效应，从而提高了空心激光束的输出质量。

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性 的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种热调谐空心激光器的结构示意图；

图2为本发明提供的增益介质热透镜变换后腔内光束分布图；

图3为本发明提供的Nd:YAG晶体准三能级的激光跃迁谱线图；

图4为本发明提供的增益介质热透镜焦距与泵浦功率之间的关系图；

图5为本发明提供的连续变焦系统结构示意图；

图6为本发明提供的透镜的组合焦距f组合与Δd3之间的关系图；

图7为本发明提供的晶体轴锥对激光波长的透过率与增益介质热透镜焦 距之间的关系图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种热调谐空心激光器及变焦系统，以克服谐振腔器 件对准困难及热透镜效应影响的技术难题，提高空心光束质量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和 具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，本发明实施例提供一种热调谐空心激光器，从左至右(激光 从左至右出射)依次设置包括半导体激光阵列1、平凸透镜2、扩束轴锥3、 轴锥透镜4、增益介质5、变焦系统6、晶体轴锥7和准直轴锥8。其中，光纤 耦合输出的半导体激光阵列1为激光器的泵浦源；平凸透镜2、扩束轴锥3和 轴锥透镜4构成空心耦合光学系统；轴锥透镜4的母线面和晶体轴锥7的正母 线面构成环形运转空心激光器的谐振腔，其中轴轴锥透镜4为输入镜，晶体轴 锥7的正母线面(该面的锥角为正锥角γ)为输出镜；准直轴锥8为谐振腔输出激 光束的准直器件。变焦系统的组合焦距可调整，用于通过调整自身的组合焦距 与热透镜焦距改变后的增益介质形成伽利略望远镜结构，以对增益介质的热透 镜效应进行补偿。

具体的，半导体激光阵列1采用输出波长为809nm光纤耦合半导体激光 阵列，光纤芯直径为400μm，数值孔径为0.22。

平凸透镜2的焦距为200mm，其通光面镀809nm增透膜(第一增透膜)； 扩束轴锥3由K9玻璃制成，其锥角ω＝120°，通光面镀809nm增透膜(第二增 透膜)；轴锥透镜4由K9玻璃制成，其锥角ω＝90°，凸面焦距为100mm，母 线面镀899-946nm高反射膜(第一高反射膜)和809nm增透膜(第三增透膜)， 凸面镀899-946nm增透膜(第四增透膜)和809nm增透膜(第五增透膜)； 增益介质5由Nd:YAG晶体制成，本发明选择899-946nm对热效应敏感的准 三能级波段，其激光跃迁谱线如图3所示，图3中，N°nradiative decay为非辐 射衰变，Upperlasing leve为激光上能级，钕离子的掺杂浓度为1.0％，尺寸为

Nd:YAG晶体的通光面镀899-946nm增透膜(第六增透膜)。

设扩束轴锥3的折射率为n₁，锥角为ω，则泵浦光束通过平凸透镜2后形 成平行光束，在经过扩束轴锥2后的偏折角

为

设轴锥透镜4的折射率为n₂，轴锥透镜4的焦距为f，则在增益介质中泵 浦焦环的半径r可表示为

当增加泵浦功率时，增益介质的热透镜焦距会变短，此时相应的调整变焦 系统6的焦距，使增益介质的热透镜和变焦系统构成伽利略望远镜结构。如图1 和2所示，激光通过晶体轴锥7的单向光程由n₃l₁变为n₃l₂，n₃为晶体轴锥7的折 射率。

设晶体轴锥7负锥角为β，正锥角为γ，则晶体轴锥7负锥角为β满足方程 3，入射角θ为布儒斯特角(tanθ＝n₃)，此时晶体轴锥7负锥面相对腔内光束起 到起偏器作用；当腔内光束返回时，晶体轴锥7负锥面又起到检偏器作用。

β＝π-2 arctan n₃ (3)

设准直轴锥8的折射率为n₄，锥角为ρ，则晶体轴锥7和准直轴锥8的参 数满足方程4时，输出激光为与系统轴线平行的空心光束。

(n₃-1)(β-γ)＝(n₄-1)(π-ρ) (4)

设晶体轴锥7为单轴晶体，且光轴方向垂直于系统轴线方向，光在晶体轴 锥7的单程距离为l，由晶体双折射滤波片效应可得到晶体轴锥7对激光波长 的透过率T为

由方程(5)可得，当轴单向光程l(例如由图1中的l₁变为图2中的l₂) 改变时，不同波长激光的透过率不同，而l又由增益介质5的热透镜焦距决定。 因此，通过调节增益介质5的热透镜焦距(具体可通过调节泵浦功率进行调节)， 可实现腔内激光波长调谐。

其中，当泵浦焦环半径为5mm时，经实验测量热透镜焦距与泵浦功率之 间的关系如图4所示。

变焦系统6的结构如图5所示，从左到右(预设方向)依次包括焦距为f₁的第一凸透镜、焦距为f₂的第一凹透镜、焦距为f₃的第二凹透镜和焦距为f₄的第二凸透镜。透镜焦点之间的距离分别为Δd₁、Δd₂和Δd₃，经计算四个透镜 的组合焦距f_组合为：

由方程(6)可以看出，调节Δd₁、Δd₂和Δd₃中的至少一个可改变透镜组 合焦距，调节f₁、f₂、f₃和f₄中的至少一个也可以改变透镜的组合焦距。举例 来讲，当f₁、f₂、f₃、f₄固定时，可通过调节Δd₁、Δd₂或Δd₃调节组合焦距。

设透镜的焦距f₁＝50mm，f₂＝-60mm，f₃＝-50mm，f₄＝60mm，Δd₁＝20mm和 Δd₂＝25mm，则透镜的组合焦距与Δd₃之间的关系如图6所示。由图4和图6 可以看出，通过调节增益介质5和变焦系统6完全可以实现动态伽利略望远镜 结构(使增益介质5的焦点(图1中的F₁和图2中的F₃)与变焦系统6的焦 点(图1中的F₂和图2中的F₄)重合)，从而实现增益介质5的热透镜补偿； 变焦系统6中所有透镜的通光面镀1064nm增透膜(第七增透膜)。晶体轴锥7为输出镜，由石英晶体制成，负锥面的锥角β＝66.2°，负锥面镀899-946nm增 透膜(第八增透膜)；晶体轴锥7的正锥面的锥角γ＝31.3°，正锥面镀899-946nm 高反射膜(第二高反射膜)。准直轴锥8由K9玻璃制成，其锥角ω＝123.5°， 通光面镀899-946nm增透膜(第九增透膜)。

晶体轴锥7对激光波长透过率T与增益介质5的热透镜焦距f_th之间的关 系如图7所示。由图7可以看出，不同的热透镜焦距对应不同的波长透过率。 因此，通过适当调节热透镜焦距，使增益介质5热透镜焦距分别为195mm、 200mm和203mm，可以实现946nm、938nm和899nm波长之间的调谐。

实施例2

如图5所示，本发明实施例提供一种变焦系统，包括沿预设方向(从左至 右)依次设置的第一凸透镜、第一凹透镜、第二凹透镜和第二凸透镜。

实施例3

本发明还提供一种热调谐空心激光器的热调谐方法，该方法包括如下步骤：

根据目标热调谐波长，确定晶体轴锥中的轴单向光程l。示例性的可用公 式(5)计算，也可用其他方式计算。

根据晶体轴锥中的轴单向光程l和增益介质中泵浦焦环的半径r，确定增 益介质的热透镜焦距。增益介质中泵浦焦环的半径r可示例性的可用公式(2) 计算，也可用其他方式计算。

根据增益介质的热透镜焦距和热透镜焦距与泵浦功率之间的关系(这种关 系可以以图4所示的关系图来表征，也以其他方式表征，例如表格)，确定泵 浦功率。

调节变焦系统的组合焦距使增益介质的焦点与变焦系统的焦点重合，增益 介质和变焦系统形成伽利略望远镜结构。变焦系统的组合焦距的调节方式可示 例性参照前述公式(6)的记载，调节至少一个透镜的焦距或者至少一个透镜 焦点之间的距离来实现。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明不仅利用增益介质的热透镜效应实现了可调谐空心激光，而且通过 动态补偿增益介质的热透镜效应，从而提高了空心激光束的输出质量。高质量 可调谐空心光束可以广泛的应用到光学捕获、光学信息处理、光学成像和微观 粒子光学操纵等领域。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是 与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施 例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的 一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变 之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种热调谐空心激光器，其特征在于，包括半导体激光阵列及沿激光出射方向依次设置的空心耦合光系统、增益介质、变焦系统、晶体轴锥和准直轴锥；

所述增益介质的热透镜焦距随半导体激光阵列出射的激光的功率改变而改变，用于获取可调谐空心激光；

所述变焦系统用于对增益介质的热透镜效应进行补偿。

2.根据权利要求1所述的热调谐空心激光器，其特征在于，所述空心耦合光系统包括沿激光出射方向依次设置的平凸透镜、扩束轴锥和轴锥透镜。

3.根据权利要求2所述的热调谐空心激光器，其特征在于，所述平凸透镜的通光面镀有第一增透膜；所述扩束轴锥的通光面镀有第二增透膜；所述轴锥透镜的母线面镀有第一高反射膜和第三增透膜，所述轴锥透镜的凸面镀有第四增透膜和第五增透膜。

4.根据权利要求1所述的热调谐空心激光器，其特征在于，所述变焦系统包括沿激光出射方向依次设置的第一凸透镜、第一凹透镜、第二凹透镜和第二凸透镜。

5.根据权利要求4所述的热调谐空心激光器，其特征在于，所述第一凸透镜、所述第一凹透镜、所述第二凹透镜和所述第二凸透镜的通光面均镀有第六增透膜。

6.根据权利要求4所述的热调谐空心激光器，其特征在于，所述变焦系统的组合焦距为：

其中，f_组合表示变焦系统的组合焦距，f₁、f₂、f₃和f₄分别为第一凸透镜、第一凹透镜、第二凹透镜和第二凸透镜的焦距，Δd₁为第一凸透镜与第一凹透镜之间的焦点距离、Δd₂为第一凹透镜与第二凹透镜之间的焦点距离，Δd₃为第二凹透镜与第二凸透镜之间的焦点距离。

7.根据权利要求1所述的热调谐空心激光器，其特征在于，所述增益介质的材料为Nd:YAG晶体，Nd:YAG晶体中钕离子的掺杂浓度为1.0％，所述增益介质的通光面镀有第七增透膜。

8.根据权利要求1所述的热调谐空心激光器，其特征在于，所述晶体轴锥的负锥面镀有第八增透膜，所述晶体轴锥的正锥面镀有第二高反射膜，所述准直轴锥的通光面镀有第九增透膜。

9.根据权利要求1所述的热调谐空心激光器，其特征在于，所述晶体轴锥和所述准直轴锥的参数满足如下关系式：

tanθ＝n₃；

β＝π-2arctann₃；

(n₃-1)(β-γ)＝(n₄-1)(π-ρ)；

其中，θ为进入晶体轴锥的激光的入射角，n₃为晶体轴锥的折射率，β为晶体轴锥的负锥角，γ为晶体轴锥的正锥角，n₄为准直轴锥的折射率，ρ为准直轴锥的锥角。

10.一种变焦系统，其特征在于，所述变焦系统包括沿预设方向依次设置的第一凸透镜、第一凹透镜、第二凹透镜和第二凸透镜。

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