CN114927926A - 一种多种横模的高功率中红外激光产生装置及产生方法 - Google Patents

Abstract

一种多种横模的高功率中红外激光产生装置及产生方法，第一平凸镜将泵浦源产生的激光准直聚焦到第二平凸镜；第二平凸镜将经过第一平凸镜聚焦的光束准直聚焦到锥透镜，经过锥透镜产生的环形光束经过第三平凸镜后聚焦到由输入耦合镜和输出耦合镜构成的激光谐振腔，经过激光增益介质的激光产生粒子数反转，部分激光通过输出耦合镜输出获得高功率中红外激光；所述的激光增益介质与一维精密电动位移台A固定，一维精密电动位移台A能够沿着激光传播轴线移动。本发明能够自动切换和实现高功率环形涡旋光束、平顶高斯光束、基模高斯光束等多种高阶横模光束的输出，解决当前激光输出模式的单一化、输出激光功率低、相位控制能力差的问题。

Description

一种多种横模的高功率中红外激光产生装置及产生方法

技术领域

本发明涉及一种中红外激光产生装置，具体是一种多种横模的高功率中红外激光产生装置及产生方法，属于高功率中红外激光技术领域。

背景技术

基横模激光由于高亮度和良好的方向性，在激光加工中应用最为广泛。然而，高阶模式的激光由于具有更多的信息量及自由度最近引起了学界和产业界的广泛关注。涡旋光束作为一种典型的高阶模式，在空间表现为环形分布，而且还具有轨道角动量特性，可以用于微观粒子或原子之间角动量的传递，近年来在多光阱光镊、微纳加工以及高效、高精度激光加工方面表现出了十分诱人的应用前景。上海交通大学博士论文“涡旋光束腔内产生技术与应用研究”中提到科学家们将涡旋光操控拓展到了三维空间，实现了对微纳粒子的三维操控；涡旋光束还可以用于超分辨的显微成像、光涡旋通信、量子通信领域等。电子科技大学硕士论文“理想平顶光束的产生以及应用”中提到平顶光束在激光材料处理及相互作用研究、光纤注入系统、光学数据及图像处理、光刻、激光材料热加工、微操纵，光学生物医学和军事等领域都有广泛的应用。

中国发明专利2010年8月4日公开了一种公开号为CN101794962A的“一种自适应高阶横模激光相干合成装置”，由固体激光器输出的高阶横模激光经光束匹配系统扩束后入射到变形镜上，经变形镜反射的光束再依次经过分光反射镜、衰减系统、聚焦透镜，汇聚在焦点位置的CCD相机，通过驱动变形镜产生相应的形变，补偿高阶横模激光整体波前相位中的畸变、补偿高阶横模激光各节线两侧旁瓣π相位跃变、提升高阶横模激光的相干特性和可聚焦能力；中国发明专利2016年3月2日公开了一种公开号为CN 05375250A的“一种原子-腔耦合产生高阶横模的方法及装置”，在由原子汽室和驻波腔耦合的系统中，当一对强的相干耦合场对射穿过腔内原子介质时，腔内介质对弱的腔模场的折射率产生调制，从而诱发高阶横模的产生。

由于高阶模式的复杂性和内在的不稳定性，使得纯净高阶模式的产生和调控成为现在的难题。现有采用的打孔镜、中空光纤、锥形折射环形镜等手段较好的解决了单一高阶模式的产生问题，但与本身采用了复杂的器件和系统，难以有效实现多种高阶横模的同时产生和切换，特别是在2um中红外激光领域，该波段激光产生量子效率低，高功率激光系统的废热十分严重，进一步增加了高级模式调控的复杂性。梳理10年来研究人员对高阶模式不稳定的研究，理论尚有进一步完善的空间，基于高阶横模的高功率激光技术还有待提高。

聚焦到激光加工领域，激光光源仍存在一系列问题：首先是激光的模式单一，普遍追求高斯分布的单模，限制了功率的提升，高斯模式不利于激光加工，工业上平顶光束加工效果更优；其次能够产生高阶模式的方式，比如空间光调制器(SLM)，损伤阈值低，不能产生高功率，尤其在中红外波段，SLM器件不成熟，模式控制方式复杂；最后是现有方法产生的环形光和平顶光的大部分为非相干光，IPG Photonics公司采用的腔外整形方法，毛玻璃或毛细管，相位控制能力差。

发明内容

本发明的目的是提供一种多种横模的高功率中红外激光产生装置及产生方法，能够自动切换和实现高功率环形涡旋光束、平顶高斯光束、基模高斯光束等多种高阶横模光束的输出，解决当前激光输出模式的单一化、输出激光功率低、相位控制能力差的问题。

为了实现上述目的，本发明提供的一种多种横模的高功率中红外激光产生装置，包括用于提供水平方向激光的泵浦源，还包括沿着激光方向同轴布置的第一平凸镜、第二平凸镜、锥透镜、第三平凸镜、输入耦合镜、激光增益介质、输出耦合镜；

第一平凸镜用于将泵浦源产生的激光准直聚焦到第二平凸镜上；

第二平凸镜用于将经过第一平凸镜聚焦的光束准直聚焦到锥透镜上，经过锥透镜产生的贝塞尔环形光束经过第三平凸镜后聚焦到由输入耦合镜和输出耦合镜构成的激光谐振腔内，经过增益介质的激光产生粒子数反转，在输入耦合镜和输出耦合镜之间来回振荡，部分激光通过输出耦合镜输出获得高功率中红外激光；

所述的激光增益介质与一维精密电动位移台A固定，一维精密电动位移台A能够沿着激光传播轴线移动，其中一维精密电动位移台A的移动速率和方向可通过计算机软件编程来控制；

优选的，本发明的泵浦源为1940nm单模光纤输出的光纤激光器或者单模光纤耦合的半导体激光器，输出波长与激光增益介质的吸收波长匹配，其平均输出功率在0-400W之间。

优选的，本发明的激光增益介质的基质为掺杂Ho³⁺离子的YAG或Y₂O₃或Lu₂O₃的单晶或陶瓷，其中Ho³⁺离子的掺杂浓度在0.2-10％之间，其晶体沿着光传播方向的长度在2-15mm之间。

优选的，第一平凸镜和第二平凸镜通过镜架固定，构成光束扩束装置，其中第一平凸镜、第二平凸镜之间的距离可通过螺纹装置调节，其之间的距离为第一平凸镜和第二平凸镜的焦距之和。

优选的，本发明的第三平凸镜与一维精密电动位移台B固定，一维精密电动位移台B能够沿着激光传播轴线移动，一维精密电动位移台B的移动速率和方向可通过计算机软件编程来控制。

优选的，本发明的锥透镜是一种圆锥棱镜，在1900-2100nm之间透过率大于96％，它可以将光聚焦到光轴上的多个点，形成环形光束。

优选的，本发明的激光谐振腔是平平腔形，输入耦合镜和输出耦合镜均为平面镜，输入耦合镜镀有双色膜层，在1900-1960nm之间透过率大于96％，在1980-2150nm之间反射率大于99.6％，输出耦合镜镀有单模层，在1960-2200nm之间的透过率在2-15％的之间。

优选的，本发明还包括放置于激光增益介质和输出耦合镜之间任意位置的手性选择元件及调谐装置，手性选择元件及调谐装置包括底座、支架、旋转电机、元件固定装置和手性选择元件，支架的底端固定设置在底座上，支架的顶端与旋转电机的底端固定，元件固定装置沿旋转电机的转轴方向与转轴固定，手性选择元件由元件固定装置固定；所述的手性选择元件为带有双折射特性的滤波片或透明介质薄片，为SiO₂，YAG或CaF₂薄片，手性选择元件的厚度在0.5-1mm之间，其与激光传播方向的倾斜角度θ的调节范围在-90-90度之间；

倾斜角度θ为0度时，手性选择元件所在平面垂直于光轴方向，光轴经过手性选择元件中心位置，倾斜角度θ为90度或-90度时，手性选择元件与竖直方向垂直，此时手性选择元件所在平面低于光轴，即光轴不经过手性选择元件。

一种多种横模的高功率中红外激光产生方法，包括以下步骤：

①由泵浦源产生泵浦激光，调节第一平凸镜的位置使泵浦激光准直，调节第二平凸镜的位置将泵浦光束准直到锥透镜上；锥透镜产生的贝塞尔环形光束经第三凸透镜聚焦后，该环形光束进入由输入耦合镜和输出耦合镜构成的激光谐振腔内并聚焦到激光增益介质上，调节输入耦合镜和输出耦合镜的角度，使其调节到垂直于泵浦激光传播的轴线角度，使泵浦激光在激光谐振腔内多次往返振荡获得激光输出；

②粗调一维精密电动位移台A的位置使激光增益介质处于环形光束聚焦的位置，由计算机控制一维精密电动位移台A的位置，使激光增益介质处于环形光束聚焦后的中心圆孔位置，此时激光增益介质的截面受到环形泵浦激光的照射，从而产生2.1μm波长的高功率环形涡旋光束；

③精密调节一维精密电动位移台A的位置，使激光增益介质处于环形光束聚焦后的中心圆孔的两侧边界位置，此时沿激光增益介质长度方向的一半长度的截面上受到环形泵浦激光的照射，另一半长度的截面受到基模高斯光束的照射，从而产生2.1μm波长的高功率平顶高斯光束；

④精密调节一维精密电动位移台A的位置，使激光增益介质完全处于环形光束聚焦后的中心圆孔的两端位置，此时整个激光增益介质长度方向的截面均受到基模高斯光束的照射，从而产生2.1μm波长的高功率的基模高斯光束；

⑤精密调节一维精密电动位移台A的位置，使激光增益介质处于步骤③和步骤④的其他中间位置，测试得到的应该是高功率环形涡旋光束与高功率平顶高斯光束的混合。

通过控制旋转电机的旋转角度，来调节手性选择元件与激光传播方向轴线的倾斜角度θ，能够实现步骤②所得的环形涡旋光束手性在左旋与右旋之间的切换；

改变光束扩束装置中的第二平凸镜焦距f₂和第一平凸镜焦距f₁的比值可以改变经过锥透镜输出的光斑直径2R的大小；

通过控制锥透镜的轴锥角度α、折射率n、经第二平凸镜输入到锥透镜的光斑直径2R以及锥透镜到第三凸透镜的距离L能够控制所得的贝塞尔环形光束的圆环宽度t和外直径d_r,并分别满足以下关系：

与现有技术相比，本发明采用锥透镜产生的环形光经过激光谐振腔之后通过自动控制一维精密电动位移台A和激光增益介质的位置可以实现如下有益效果：

(1)本发明的装置能直接产生多种典型的横模光束，如高功率环形涡旋光束、高功率平顶高斯光束、高功率基模高斯光束等，得到的环形光为纯净的涡旋光，并且手性可控，具有更好的加工精度，提高加工效率，通过各种横向模式的切换增加了激光加工光斑的种类，大大扩展了可高精度激光加工对象的种类；

(2)本发明方法，只要移动激光增益介质和锥透镜的相对位置即可对输出光斑模式进行切换，移动激光增益介质处于光束孔的中间位置时，能输出涡旋光束；当激光增益介质处于光束孔的左右边缘时，能输出平顶光束；当激光增益介质处于光束孔的左右两侧时，能输出高斯光束，本方法不用增减元器件，成本低廉，可以快速高效实现高功率中红外激光模式的切换，显著提升了激光加工的效率。

(3)本发明中所使用的光束变换元件相比现有方案使用的空间光调制器(SLM)，具有高损伤阈值的特点，而且采用的环形激光泵浦方案显著降低了激光器的热效应，容易获得近百瓦量级的高功率高阶模式激光输出，进一步提升了加工效率。

(4)本发明所产生的环形光束是纯净的相干涡旋激光，与现有装置的非相干环形光束相比，其具有轨道角动量，并且其大小和方向可控，这种特性的激光可对加工表面加工时自带抛光效果，防止飞溅，避免形成等离子体，进一步提升了激光加工的精度和效率。

附图说明

图1是本发明实施例1产生多种横模的高功率中红外光束的装置图；

图2是图1中手性选择元件及调谐装置的结构示意图；

图3是图2在调节角度过程中的侧视图；

图4是图1中手性选择元件的结构示意图；

图5是本发明实施例1激光增益介质所在中心圆孔位置时产生的涡旋光束；

图6是本发明实施例1激光增益介质所在中心圆孔的两侧边界位置时产生的平顶光束，其中(a)为激光增益介质在中心圆孔的一侧边界位置时产生的平顶光束，(b)为激光增益介质在中心圆孔的另一侧边界位置时产生的平顶光束；

图7是本发明实施例1激光增益介质所在中心圆孔的两端位置时产生的高斯光束，其中(a)为激光增益介质在中心圆孔的一端边界位置时产生的高斯光束，(b)为激光增益介质在中心圆孔的另一端边界位置时产生的高斯光束；

图8是本发明产生涡旋光束、平顶光束、高斯光束三种光束的光斑图和功率曲线图，其中：(a)为涡旋光束的光斑图，(b)为涡旋光束对应的功率曲线图；

(c)为高斯光束与环形光束的光斑图，(d)为高斯光束与环形光束对应的功率曲线图；

(e)为平顶光束的光斑图，(f)为平顶光束对应的功率曲线图；

(g)为高斯光束的光斑图，(h)为高斯光束对应的功率曲线图；

图9是本发明所产生的涡旋光与平面波干涉的仿真图，其中(a)为涡旋激光在LG₀₁模式下的干涉图，(b)为涡旋激光在LG_-1模式下的干涉图。

图中：1、泵浦源，2、第一平凸镜，3、第二平凸镜，4、锥透镜，5、第三平凸镜，6、一维精密电动位移台B，7、输入耦合镜，8、激光增益介质，9、一维精密电动位移台A，10、手性选择元件及调谐装置，101、底座，102、支架，103、旋转电机，104、元件固定装置，105、手性选择元件，11、输出耦合镜，12、光束扩束装置。

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，一种多种横模的高功率中红外激光产生装置，包括用于提供水平方向激光的泵浦源1，泵浦源1为1940nm单模光纤输出的光纤激光器或者单模光纤耦合的半导体激光器，其输出波长与激光增益介质8的吸收波长匹配，其平均输出功率在0-400W之间；还包括沿着激光方向同轴布置的第一平凸镜2、第二平凸镜3、锥透镜4、第三平凸镜5、输入耦合镜7、激光增益介质8、输出耦合镜11；

第一平凸镜2用于将泵浦源1产生的激光准直聚焦到第二平凸镜3上；

第二平凸镜3用于将经过第一平凸镜2聚焦的光束准直聚焦到锥透镜4上，经过锥透镜4产生的贝塞尔环形光束经过第三平凸镜5后聚焦到由输入耦合镜7和输出耦合镜11构成的激光谐振腔内，经过增益介质8的激光产生粒子数反转，在输入耦合镜7和输出耦合镜11之间来回振荡，部分激光通过输出耦合镜11输出获得高功率中红外激光；锥透镜4是一种圆锥棱镜，在1900-2100nm之间透过率大于96％，它可以将光聚焦到光轴上的多个点，形成环形光束。

所述的激光增益介质8与一维精密电动位移台A9固定，一维精密电动位移台A9能够沿着激光传播轴线移动，一维精密电动位移台A9的移动速率和方向可通过计算机软件编程来控制，计算机软件编程为本领域技术人员公知的技术手段；

激光增益介质8的基质为掺杂Ho³⁺离子的YAG或Y₂O₃或Lu₂O₃的单晶或陶瓷，其中Ho³⁺离子的掺杂浓度在0.2-10％之间，其晶体沿着光传播方向的长度在2-15mm之间。

第一平凸镜2和第二平凸镜3通过镜架固定，构成光束扩束装置12，其中第一平凸镜2、第二平凸镜3之间的距离可通过螺纹装置调节，其之间的距离为第一平凸镜2和第二平凸镜3的焦距之和。

第三平凸镜5与一维精密电动位移台B6固定，一维精密电动位移台B6能够沿着激光传播轴线移动，一维精密电动位移台B6的移动速率和方向可通过计算机软件编程来控制。

所述激光谐振腔是平平腔形，输入耦合镜7和输出耦合镜11均为平面镜，输入耦合镜7镀有双色膜层，在1900-1960nm之间透过率大于96％，在1980-2150nm之间反射率大于99.6％，输出耦合镜11镀有单模层，在1960-2200nm之间的透过率在2-15％的之间。

如图2-图4所示，本发明还包括放置于激光增益介质8和输出耦合镜11之间任意位置的手性选择元件及调谐装置10，手性选择元件及调谐装置10包括底座101、支架102、旋转电机103、元件固定装置104和手性选择元件105，支架102的底端固定设置在底座101上，支架102的顶端与旋转电机103的底端固定，元件固定装置104沿旋转电机103的转轴方向与转轴固定，手性选择元件105由元件固定装置104固定；所述的手性选择元件105为带有双折射特性的滤波片或透明介质薄片，为SiO₂，YAG或CaF₂薄片，手性选择元件105的厚度在0.5-1mm之间，其与激光传播方向的倾斜角度θ的调节范围在-90-90度之间；

倾斜角度θ为0度时，手性选择元件105所在平面垂直于光轴方向，光轴经过手性选择元件105中心位置，倾斜角度θ为90度或-90度时，手性选择元件105与竖直方向垂直，此时手性选择元件105所在平面低于光轴，即光轴不经过手性选择元件。

一种多种横模的高功率中红外激光产生方法，包括以下步骤：

①由泵浦源1产生泵浦激光，调节第一平凸镜2的位置使泵浦激光准直，调节第二平凸镜3的位置将泵浦光束准直到锥透镜4上；锥透镜4产生的贝塞尔环形光束经第三凸透镜5聚焦后，该环形光束进入由输入耦合镜7和输出耦合镜11构成的激光谐振腔内并聚焦到激光增益介质8上，调节输入耦合镜7和输出耦合镜11的角度，使其调节到均与泵浦激光传播的轴线垂直角度，使泵浦激光在激光谐振腔内多次往返振荡获得激光输出；

②粗调一维精密电动位移台A9的位置使激光增益介质8处于环形光束聚焦的位置，由计算机控制一维精密电动位移台A9的位置，使激光增益介质8处于环形光束聚焦后的中心圆孔位置，此时激光增益介质8的截面受到环形泵浦激光的照射，从而产生2.1μm波长的高功率环形涡旋光束输出；

③精密调节一维精密电动位移台A9的位置，使激光增益介质8处于环形光束聚焦后的中心圆孔的两侧边界位置，此时沿激光增益介质8长度方向的一半长度的截面上受到环形泵浦激光的照射，另一半长度的截面受到基模高斯光束的照射，从而产生2.1μm波长的高功率平顶高斯光束输出；

④精密调节一维精密电动位移台A9的位置，使激光增益介质8完全处于环形光束聚焦后的中心圆孔的两端位置，此时整个激光增益介质8长度方向的截面均受到基模高斯光束的照射，从而产生2.1μm波长的高功率的基模高斯光束输出；

⑤精密调节一维精密电动位移台A9的位置，使激光增益介质8处于步骤③和步骤④的其他中间位置，测试得到的应该是高功率环形涡旋光束与高功率平顶高斯光束的混合。

通过控制旋转电机103的旋转角度，精密调节手性选择元件105与激光传播方向轴线的倾斜角度θ，能够实现步骤②所得的涡旋光束手性在左旋与右旋之间的切换；

改变光束扩束装置12中的第二平凸镜3焦距f₂和第一平凸镜2焦距f₁的比值可以改变经过锥透镜4输出的光斑直径2R的大小；

通过控制锥透镜4的轴锥角度α、折射率n、经第二平凸镜3输入到锥透镜4的光斑直径2R以及锥透镜4到第三凸透镜5的距离L能够控制所得的贝塞尔环形光束的圆环宽度t和外直径d_r,并分别满足以下关系：

实施例1

如图1所示，一种多种横模的高功率中红外激光产生装置，具体包括：

泵浦源1，是一个1940nm连续光纤激光器(单模200W)，输出基横模的泵浦激光，产生的泵浦光激励激光增益介质8产生2μm波段的激光输出，准直光斑3mm，M²＝1.5；

第一平凸镜2的焦距为20mm，第二平凸镜的3的焦距为100mm，对泵浦源1产生的泵浦光进行准直，第一平凸镜2和第二平凸镜3构成聚焦-准直系统；

锥透镜4把1940nm单模光纤激光器的基模输出激光经过折射输出贝塞尔环形光，第三平凸镜5把环形光聚焦输出到激光谐振腔中；

所用的激光增益介质8为Ho:Y₂O₃，其中Ho³⁺离子掺杂浓度为2％，通过计算机精密控制移动一维精密电动位移台A9到第一个环形光束中心孔的位置，如图5所示，实现本发明的第一个功能，输出高功率环形涡旋光束；

输出耦合镜11，采用的是平镜，耦合输出率为10％；

本发明激光谐振腔中腔镜的距离和角度满足激光稳定谐振条件，使用上面所述的光纤激光器浦激光增益介质，通过控制一维精密电动位移台A9来控制激光增益介质8与第三平凸镜5的距离L可直接产生多种横模的高功率中红外激光。

为了更进一步的说明本实施例直接产生多种横模的高功率中红外激光的方法，现结合附图及具体实例详述如下：

如图1所示，首先利用泵浦源1的工作波长在1940nm的高功率光纤激光器，泵浦光束经过第一平凸镜2和第二平凸镜3后被准直，准直的激光经过锥透镜4的双折射效应产生环形光，由第三平凸镜5将环形光束聚焦到Ho:Y₂O₃激光增益介质8并被激光增益介质8吸收产生粒子数反转；

接着，精密控制放有激光增益介质8的一维精密电动位移台A9与第三平凸镜5的距离，使激光增益介质8的位置使其位于贝塞尔环形激光聚焦束腰的中心位置，具体如图5所示，此时照射到激光增益介质8上的泵浦光为环形激光，通过激光谐振腔内与出射2.1um波长的激光模式匹配以及整个所采用腔型为圆柱对称的平平腔型，最终得到了光强为环形分布的涡旋光束，如图8(a)-(b)所示。

采用CCD相机(WinCamD-IR-BB，像素大小为17μm)监测马赫—曾德(M-Z)干涉仪的干涉条纹来确定激光器产生的涡旋激光有无手性，当手性选择元件105的倾斜角度θ在2-4°范围内时，产生的涡旋激光是LG₀₁模式，其干涉结果见图9(a)，其条纹有向上的分叉；当手性选择元件105的倾斜角θ在-2°-(-4°)范围内时，产生了LG_-1模式的涡旋激光，具体如图9(b)所示，为开叉向下的竖状条纹。

在本实施例中，可以通过精密调节一维精密电动位移台B的位置来改变第三凸透镜5在z轴方向的位置，同样可以达到上述效果，下面的实施例中将不在赘述。

实施例2

本实施例中的装置参数如无特别申明，均与实施例1中的相同。

如图1所示，一种多种横模的高功率中红外激光产生装置，具体包括：

泵浦源1是一个1940nm连续光纤激光器(单模300W)，输出基横模的泵浦激光，产生的泵浦光激励激光增益介质8产生2.1μm波段的激光输出；

通过计算机精密调整一维精密电动位移台A9的位置使激光增益介质8的中心位置处于到泵浦光z轴方向剖面图的孔边缘左右两侧的位置，如图6(a)和(b)所示，来实现本发明的第二个功能，输出高功率平顶高斯光束。

为了更进一步的说明本实施例直接产生多种横模的高功率中红外激光的方法，现结合附图及具体实例详述如下：

如图1所示，首先利用泵浦源1的工作波长在1940nm产生的光纤激光经过焦距相同的第一平凸镜2和第二平凸镜3后被准直，准直的激光经过锥透镜4的双折射效应产生环形光，由第三平凸镜5将环形光束聚焦到激光增益介质8，被增益介质吸收产生粒子数反转；通过调节输出耦合镜11和激光谐振腔内激光的偏离角度，适度调整腔镜的角度产生激光振荡。

精密调节一维精密电动位移台A9的位置，具体如图8(e)和(f)所示，使激光增益介质8处于环形光束聚焦后的中心圆孔的两侧边界位置，此时激光增益介质8长度方向的一半长度的截面上受到环形泵浦激光的照射，使环形光经过激光增益介质输出平顶光增益介质与光束的位置另一半长度的截面受到基模高斯光束的照射，从而产生2.1μm波长的高功率平顶高斯光束。

本实施例中的手性选择元件105的倾斜角度θ可处于0°或其他任意状态，亦可将角度调整为90度或-90度，此时激光不经过手性选择元件105，均对本实施例所要达到的效果无实质性影响。

实施例3

如图1所示，一种多种横模的高功率中红外激光产生装置，具体元件与实施例1中相同。

通过精密调节一维精密电动位移台A9的位置，使激光增益介质8完全处于环形光束聚焦后的中心圆孔的两端位置，具体如图7(a)和(b)所示，此时整个增益介质长度方向的截面受到基模高斯光束的照射，从而产生2.1μm波长的高功率基模高斯光束，如图8(g)和(h)所示。

本实施例中的手性选择元件105的倾斜角度θ可处于0°或其他任意状态，亦可将角度调整为90度或-90度，此时激光不经过手性选择元件105，均对本实施例所要达到的效果无实质性影响。

实施例4

如图1所示，一种多种横模的高功率中红外激光产生装置，具体元件与实施例1中相同。

通过精密调整一维精密电动位移台A9的位置，使激光增益介质8处于环形光束聚焦后的中心圆孔的两侧边界位置到孔中心之间的位置，所获得的激光为高斯光束与环形光束任意比例的组合状态，具体如图8(c)和(d)所示。

本实施例中的手性选择元件105的倾斜角度θ可处于0°或其他任意状态，亦可将角度调整为90度或-90度，此时激光不经过手性选择元件105，均对本实施例所要达到的效果无实质性影响。

Claims (10)

1.一种多种横模的高功率中红外激光产生装置，包括用于提供水平方向激光的泵浦源(1)，其特征在于，还包括沿着激光方向同轴布置的第一平凸镜(2)、第二平凸镜(3)、锥透镜(4)、第三平凸镜(5)、输入耦合镜(7)、激光增益介质(8)、输出耦合镜(11)；

第一平凸镜(2)用于将泵浦源(1)产生的激光准直聚焦到第二平凸镜(3)上；

第二平凸镜(3)用于将经过第一平凸镜(2)聚焦的光束准直聚焦到锥透镜(4)上，经过锥透镜(4)产生的贝塞尔环形光束经过第三平凸镜(5)后聚焦到由输入耦合镜(7)和输出耦合镜(11)构成的激光谐振腔内，经过激光增益介质(8)的激光产生粒子数反转，在输入耦合镜(7)和输出耦合镜(11)之间来回振荡，部分激光通过输出耦合镜(11)输出获得高功率中红外激光；

所述的激光增益介质(8)与一维精密电动位移台A(9)固定，一维精密电动位移台A(9)能够沿着激光传播轴线移动。

2.根据权利要求1所述的一种多种横模的高功率中红外激光产生装置，其特征在于，泵浦源(1)为1940nm单模光纤输出的光纤激光器或者单模光纤耦合的半导体激光器，输出波长与激光增益介质(8)的吸收波长匹配，其平均输出功率在0-400W之间。

3.根据权利要求1所述的一种多种横模的高功率中红外激光产生装置，其特征在于，激光增益介质(8)的基质为掺杂Ho³⁺离子的YAG或Y₂O₃或Lu₂O₃的单晶或陶瓷，其中Ho³⁺离子的掺杂浓度在0.2-10％之间，其晶体沿着光传播方向的长度在2-15mm之间。

4.根据权利要求1所述的一种多种横模的高功率中红外激光产生装置，其特征在于，第一平凸镜(2)和第二平凸镜(3)通过镜架固定，构成光束扩束装置(12)，所述第一平凸镜(2)与第二平凸镜(3)之间的距离通过螺纹装置调节，其之间的距离为第一平凸镜(2)和第二平凸镜(3)的焦距之和。

5.根据权利要求1所述的一种多种横模的高功率中红外激光产生装置，其特征在于，第三平凸镜(5)与一维精密电动位移台B(6)固定，一维精密电动位移台B(6)能够沿着激光传播轴线移动。

6.根据权利要求1所述的一种多种横模的高功率中红外激光产生装置，其特征在于，锥透镜(4)是一种圆锥棱镜，在1900-2100nm之间透过率大于96％。

7.根据权利要求1所述的一种多种横模的高功率中红外激光产生装置，其特征在于，所述激光谐振腔是平平腔形，输入耦合镜(7)和输出耦合镜(11)均为平面镜，输入耦合镜(7)镀有双色膜层，在1900-1960nm之间透过率大于96％，在1980-2150nm之间反射率大于99.6％，输出耦合镜(11)镀有单模层，在1960-2200nm之间的透过率在2-15％的之间。

8.根据权利要求1所述的一种多种横模的高功率中红外激光产生装置，其特征在于，还包括放置于激光增益介质(8)和输出耦合镜(11)之间任意位置的手性选择元件及调谐装置(10)，手性选择元件及调谐装置(10)包括底座(101)、支架(102)、旋转电机(103)、元件固定装置(104)和手性选择元件(105)，支架(102)的底端固定设置在底座(101)上，支架(102)的顶端与旋转电机(103)的底端固定，元件固定装置(104)沿旋转电机(103)的转轴方向与转轴固定，手性选择元件(105)由元件固定装置(104)固定；所述的手性选择元件(105)为带有双折射特性的滤波片或透明介质薄片，为SiO₂，YAG或CaF₂薄片，手性选择元件(105)的厚度在0.5-1mm之间，其与激光传播方向的倾斜角度θ的调节范围在-90-90度之间。

9.一种多种横模的高功率中红外激光产生方法，其特征在于，包括以下步骤：

①由泵浦源(1)产生泵浦激光，调节第一平凸镜(2)的位置使泵浦激光准直，调节第二平凸镜(3)的位置将泵浦光束准直到锥透镜(4)上，锥透镜(4)产生的贝塞尔环形光束经第三凸透镜(5)聚焦后，该环形光束进入由输入耦合镜(7)和输出耦合镜(11)构成的激光谐振腔内并聚焦到激光增益介质(8)上，调节输入耦合镜(7)和输出耦合镜(11)的角度，使其垂直于泵浦激光传播的轴线角度，使泵浦激光在激光谐振腔内多次往返振荡获得激光输出；

②粗调一维精密电动位移台A(9)的位置使激光增益介质(8)处于环形光束聚焦的位置，由计算机控制一维精密电动位移台A(9)的位置，使激光增益介质(8)处于环形光束聚焦后的中心圆孔位置，此时激光增益介质(8)的截面受到环形泵浦激光的照射，产生2.1μm波长的高功率环形涡旋光束；

③精密调节一维精密电动位移台A(9)的位置，使激光增益介质(8)处于环形光束聚焦后的中心圆孔的两侧边界位置，此时沿激光增益介质(8)长度方向的一半长度的截面上受到环形泵浦激光的照射，另一半长度的截面受到基模高斯光束的照射，产生2.1μm波长的高功率平顶高斯光束；

④精密调节一维精密电动位移台A(9)的位置，使激光增益介质(8)完全处于环形光束聚焦后的中心圆孔的两端位置，此时整个激光增益介质(8)长度方向的截面均受到基模高斯光束的照射，产生2.1μm波长的高功率的基模高斯光束；

⑤精密调节一维精密电动位移台A(9)的位置，使激光增益介质(8)处于步骤③和步骤④的其他中间位置，测试得到的是高功率环形涡旋光束与高功率平顶高斯光束的混合。

10.根据权利要求9所述的一种多种横模的高功率中红外激光产生方法，其特征在于，通过精密控制旋转电机(103)的旋转角度，调节手性选择元件(105)与激光传播方向轴线的倾斜角度θ，能够实现步骤②所得的高功率环形涡旋光束手性在左旋与右旋之间的切换；

改变光束扩束装置(12)中的第二平凸镜(3)焦距f₂和第一平凸镜(2)焦距f₁的比值来改变经过锥透镜(4)输出的光斑直径2R的大小；

通过控制锥透镜(4)的轴锥角度α、折射率n、经第二平凸镜(3)输入到锥透镜(4)的光斑直径2R以及锥透镜(4)到第三凸透镜(5)的距离L能够控制所得的贝塞尔环形光束的圆环宽度t和外直径d_r,并分别满足以下关系：

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