CN116826494A - 一种基于组合晶体的双波长涡旋激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于组合晶体的双波长涡旋激光器，包括半导体激光器泵浦源、准直透镜、偏振分光棱镜、组合激光晶体、激光谐振腔镜、激光输出耦合镜和双色分光镜；半导体激光器泵浦源经过特殊耦合后从光纤输出强度呈空心环形分布的光束，该光束经准直透镜准直为平行光后入射至偏振分光棱镜，偏振分光棱镜将非偏振泵浦光分为透射的水平偏振光和反射的竖直偏振光两束，在第一泵浦光反射镜和第二泵浦光反射镜之间任意位置处加入第二半波片改变泵浦光的偏振方向；第一半波片用来改变泵浦光在激光晶体中的偏振方向。本发明采用组合激光晶体结构更简单、紧凑、效率更高、稳定性更高，并且两种波长的涡旋光束的拓扑荷数可独立调控。
Description
技术领域
本发明属于全固态激光技术领域，具体涉及一种基于组合晶体的双波长涡旋激光器。
背景技术
涡旋光是一种具有孤立相位奇点的光场，其光束强度呈暗中空环状分布。光束具有螺旋型相位波前，每个光子携带的轨道角动量，相位因子可描述为exp(ilθ)，其中θ为方位角，l为拓扑荷。涡旋光由于具有携带轨道角动量和环状光强分布的特性，已经在光通信、光学微操控、超分辨成像、材料加工、量子纠缠、精密测量等领域越来越得到了广泛的应用。
关于涡旋光场产生方案的研究一直是近年来的热点，目前常用的方法可分为腔外转换法(无源法)和谐振腔直接输出法(有源法)。
其中，利用柱面镜系统、叉形光栅、螺旋相位板、空间光调制器、亚波长光栅、q波片和干涉合成法等无源器件和方法，在光学谐振腔外对激光器输出的高斯光束进行调制来产生特定的涡旋光束，具有操作简便、控制灵活等优势。但存在涡旋光束模式不纯、光束质量较差、转换效率较低和无法用于高功率的缺点。
谐振腔直接输出涡旋光的方法主要有基于空心光束泵浦法、带缺陷腔镜法、腔内插入相位元件法等，具有结构紧凑、稳定性高、光束质量好、纯度高等优势，但存在难以实现多波长输出的困难。目前采用谐振腔直接输出双波长涡旋激光的方案一种是基于内腔受激拉曼散射的方法，另一种是采用复合腔的方法。前者对谐振腔和晶体的损耗有着非常严格的要求，后者系统组成复杂、插入损耗高，且二者均存在双波长涡旋激光的拓扑荷数无法独立调控的问题，因此现有的技术难以满足精密测量领域对高质量双波长涡旋光场的需求。
基于此，提出了一种基于组合晶体的双波长涡旋激光器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于组合晶体的双波长涡旋激光器，以解决上述背景技术中提出的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于组合晶体的双波长涡旋激光器，包括半导体激光器泵浦源、准直透镜、偏振分光棱镜、第一半波片、第二半波片、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第一泵浦光反射镜、第二泵浦光反射镜、第三泵浦光反射镜、组合激光晶体、激光谐振腔镜、激光输出耦合镜和双色分光镜；
其中，中心波长为808nm的半导体激光器泵浦源经过特殊耦合后从光纤输出光束强度呈空心环形分布的光束，该光束经准直透镜准直为平行光后入射至偏振分光棱镜，偏振分光棱镜将非偏振泵浦光分为透射的水平偏振光和反射的竖直偏振光两束；
其中透射的水平偏振光经过第一半波片和第一聚焦透镜后聚焦至组合激光晶体中而被吸收；反射的竖直偏振光经第一泵浦光反射镜、第二泵浦光反射镜和第三泵浦光反射镜反射，经第二聚焦透镜聚焦至组合激光晶体中而被吸收；
在第一泵浦光反射镜和第二泵浦光反射镜之间任意位置处加入第二半波片改变泵浦光的偏振方向；
同理，第一半波片用来改变泵浦光在组合激光晶体中的偏振方向。
进一步的，所述组合激光晶体为Nd:YVO4/Nd:YLF或Nd:YVO4/Nd:GdVO4，构成组合激光晶体的两块晶体的光轴为平行放置或垂直放置。
进一步的，所述组合激光晶体的前端面镀有808nm增透膜和1000～1100nm波段的高反膜作为激光谐振腔的输入耦合镜，所述组合激光晶体的后端面镀有808nm、1000～1100nm的增透膜。
进一步的，所述第一泵浦光反射镜、第二泵浦光反射镜和第三泵浦光反射镜的前表面均镀有808nm高反膜。
进一步的，激光谐振腔镜两面均镀有808nm增透膜，并且靠近组合晶体的一面还镀有1000～1100nm波段的高反膜。
进一步的，所述激光输出耦合镜的凹面镀有1000～1100nm波段的部分反射膜，允许少部分涡旋激光透过，所述激光输出耦合镜的平面镀有1000～1100nm波段的增透膜。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明相比在谐振腔内插入两块分立的激光晶体，采用键合技术获得组合晶体结构更简单和紧凑，稳定性好，并且用来产生双波长激光输出，具有插入损耗小的优势，因此激光器效率更高。
2、本发明相比单一激光晶体产生双波长激光输出，单一激光晶体产生双波长激光利用的是同一上能级的反转粒子数，因此存在增益竞争，输出功率不稳定。而本发明中的两种激光波长的增益分别由组合晶体中的一种晶体提供，不存在增益竞争，稳定性更高。
3、本发明采用双端泵浦的方式，通过单独调节组合晶体一端的聚焦透镜的位置、以及半波片的角度，可改变环形泵浦光的尺寸，从而可改变激光器输出的涡旋光的拓扑荷数。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图；
附图标记说明：
1、半导体激光器泵浦源；2、准直透镜；3、偏振分光棱镜；4-1、第一半波片；4-2、第二半波片；5-1、第一聚焦透镜；5-2、第二聚焦透镜；6、组合激光晶体；7、激光谐振腔镜；8、激光输出耦合镜；9、双色分光镜；10、波长一的涡旋激光的光斑；11、波长二的涡旋激光的光斑；12-1、第一泵浦光反射镜；12-2、第二泵浦光反射镜；12-3、第三泵浦光反射镜。
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。
如图1所示，本发明提供一种技术方案：一种基于组合晶体的双波长涡旋激光器，包括半导体激光器泵浦源1、准直透镜2、偏振分光棱镜3、第一半波片4-1、第二半波片4-2、第一聚焦透镜5-1、第二聚焦透镜5-2、组合激光晶体6、激光谐振腔镜7、激光输出耦合镜8、双色分光镜9、第一泵浦光反射镜12-1、第二泵浦光反射镜12-2和第三泵浦光反射镜12-3。
其中，中心波长为808nm的半导体激光器泵浦源1经过特殊耦合后从光纤输出光束强度呈空心环形分布的光束，该光束经准直透镜2准直为平行光后入射至偏振分光棱镜3，偏振分光棱镜3将非偏振泵浦光分为透射的水平偏振光和反射的竖直偏振光两束；
其中透射的水平偏振光经过第一半波片4-1和第一聚焦透镜5-1后聚焦至组合激光晶体6中而被吸收；反射的竖直偏振光经第一泵浦光反射镜12-1、第二泵浦光反射镜12-2和第三泵浦光反射镜12-3反射后，经第二聚焦透镜5-2聚焦至组合激光晶体6中而被吸收；
在第一泵浦光反射镜12-1和第二泵浦光反射镜12-2之间任意位置处加入第二半波片4-2改变泵浦光的偏振方向；
同理，第一半波片4-1用来改变泵浦光在组合激光晶体6中的偏振方向。
组合激光晶体(6)前端面、激光谐振腔镜(7)和激光输出耦合镜(8)构成激光谐振腔，对腔内振荡的双波长涡旋激光提供光学正反馈，达到阈值的涡旋激光经激光输出耦合镜(8)输出后，再经双色分光镜(9)将两波长进行分离；形成波长一的涡旋激光的光斑(10)和波长二的涡旋激光的光斑(11)；
所述组合激光晶体6的前端面镀有808nm增透膜和1000～1100nm波段的高反膜作为激光谐振腔的输入耦合镜，所述组合激光晶体6的后端面镀有808nm、1000～1100nm的增透膜，所述第一泵浦光反射镜12-1、第二泵浦光反射镜12-2和第三泵浦光反射镜12-3的前表面镀有808nm高反膜，所述激光谐振腔镜7的两面均镀有808nm增透膜，并且靠近组合晶体的一面还镀有1000～1100nm波段的高反膜，所述激光输出耦合镜8的凹面镀有1000～1100nm波段的部分反射膜，允许部分涡旋激光透过，所述激光输出耦合镜8的平面镀有1000～1100nm波段的增透膜。
所述组合激光晶体6为Nd:YVO4/Nd:YLF或Nd:YVO4/Nd:GdVO4，构成组合激光晶体6的两块晶体的光轴为平行放置或垂直放置。
组合激光晶体6为Nd:YVO4/Nd:YLF时，经过特殊耦合的808nm半导体激光器泵浦源1从光纤输出的激光束为“环形状”分布，该光束经准直透镜2准直为平行光后入射至偏振分光棱镜3，偏振分光棱镜3将非偏振泵浦光分为透射的水平偏振光和反射的竖直偏振光两束。
透射的水平偏振光经过第一半波片4-1和第一聚焦透镜5-1后，被组合激光晶体6中的Nd:YVO4晶体吸收；
反射的竖直偏振光经第一泵浦光反射镜12-1、第二泵浦光反射镜12-2和第三泵浦光反射镜12-3反射，经第二聚焦透镜5-2聚焦至组合激光晶体6中的Nd:YLF晶体而被吸收。
在第一泵浦光反射镜12-1和第二泵浦光反射镜12-2之间任意位置处加入第二半波片4-2来改变泵浦光的偏振方向，从而使Nd:YLF晶体对808nm泵浦光的吸收系数改变，因而环形泵浦光在Nd:YLF晶体中的平均光斑半径发生变化，最终达到能够调控激光器出射的1047nm涡旋光束拓扑荷数的目的。
同理，第一半波片4-1用来改变泵浦光在Nd:YVO4晶体中的偏振方向，使Nd:YVO4晶体对808nm泵浦光的吸收系数改变，因而环形泵浦光在Nd:YVO4晶体中的平均光斑半径发生变化，最终达到能够调控激光器出射的1064nm涡旋光束拓扑荷数的目的。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种基于组合晶体的双波长涡旋激光器，其特征在于：包括半导体激光器泵浦源(1)、准直透镜(2)、偏振分光棱镜(3)、第一半波片(4-1)、第二半波片(4-2)、第一聚焦透镜(5-1)、第二聚焦透镜(5-2)、组合激光晶体(6)、激光谐振腔镜(7)、激光输出耦合镜(8)、双色分光镜(9)、第一泵浦光反射镜(12-1)、第二泵浦光反射镜(12-2)和第三泵浦光反射镜(12-3)；
其中，中心波长为808nm的半导体激光器泵浦源(1)经过特殊耦合后从光纤输出光束强度呈空心环形分布的光束，该光束经准直透镜(2)准直为平行光后入射至偏振分光棱镜(3)，偏振分光棱镜(3)将非偏振泵浦光分为透射的水平偏振光和反射的竖直偏振光两束；
其中透射的水平偏振光经过第一半波片(4-1)和第一聚焦透镜(5-1)后聚焦至组合晶体，被组合激光晶体(6)中的晶体吸收；反射的竖直偏振光经第一泵浦光反射镜(12-1)、第二泵浦光反射镜(12-2)和第三泵浦光反射镜(12-3)反射，经第二聚焦透镜(5-2)聚焦至组合激光晶体(6)中而被吸收；
其中，组合激光晶体(6)前端面、激光谐振腔镜(7)和激光输出耦合镜(8)构成激光谐振腔，对腔内振荡的双波长涡旋激光提供光学正反馈，达到阈值的涡旋激光经激光输出耦合镜(8)输出后，再经双色分光镜(9)将两波长进行分离；
在第一泵浦光反射镜(12-1)和第二泵浦光反射镜(12-2)之间任意位置处加入第二半波片(4-2)改变泵浦光的偏振方向；
同理，第一半波片(4-1)用来改变泵浦光在组合激光晶体(6)中的偏振方向。
2.根据权利要求1所述的一种基于组合晶体的双波长涡旋激光器，其特征在于，所述组合激光晶体(6)为Nd:YVO4/Nd:YLF或Nd:YVO4/Nd:GdVO4，构成组合激光晶体(6)的两块晶体的光轴为平行放置或垂直放置。
3.根据权利要求1所述的一种基于组合晶体的双波长涡旋激光器，其特征在于，所述的准直透镜(2)、偏振分光棱镜(3)、第一半波片(4-1)、第二半波片(4-2)、第一聚焦透镜(5-1)、第二聚焦透镜(5-2)的镜面均镀有808nm的增透膜。
4.根据权利要求1所述的一种基于组合晶体的双波长涡旋激光器，其特征在于，所述的第一泵浦光反射镜(12-1)、第二泵浦光反射镜(12-2)和第三泵浦光反射镜(12-3)的前表面均镀有808nm高反膜。
5.根据权利要求1所述的一种基于组合晶体的双波长涡旋激光器，其特征在于，所述组合激光晶体(6)的前端面镀有808nm增透膜和1000～1100nm波段的高反膜作为激光谐振腔的输入耦合镜，所述组合激光晶体(6)的后端面镀有808nm、1000～1100nm的增透膜。
6.根据权利要求1所述的一种基于组合晶体的双波长涡旋激光器，其特征在于，所述的激光谐振腔镜(7)两面均镀有808nm增透膜，并且靠近组合激光晶体(6)的一面还镀有1000～1100nm波段的高反膜。
7.根据权利要求1所述的一种基于组合晶体的双波长涡旋激光器，其特征在于，所述激光输出耦合镜(8)的凹面镀有1000～1100nm波段的部分反射膜，允许部分涡旋激光透过，所述激光输出耦合镜(8)的平面镀有1000～1100nm波段的增透膜。
8.根据权利要求1所述的一种基于组合晶体的双波长涡旋激光器，其特征在于，所述双色分光镜(9)镀有与Nd:YVO4晶体峰值辐射波长匹配的增透膜和与Nd:GdVO4或Nd:YLF晶体峰值辐射波长匹配的高反膜。
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