CN220754000U - 低阶微片涡旋光激光器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及低阶微片涡旋光激光器，包括依次间隔设置的光纤耦合激光二极管、透镜A、圆形不透明光屏、透镜B、微片增益介质、调Q薄片和输出耦合镜，所述光纤耦合激光二极管用于发出泵浦光源，所述圆形不透明光屏将泵浦光整形成环状，所述透镜B将环状泵浦光聚焦至微片增益介质端面上，所述透镜B设置在精密位移滑台上，所述精密位移滑台能够调节透镜B的位置进而改变离焦距离，所述调Q薄片设置在精密调整架A上用于调整其倾斜角度，所述输出耦合镜设置在精密调整架B上用于调整其倾斜角度。具有结构简单稳定、集成度高、输出涡旋光束质量较高等优点。
Description
技术领域：
本实用新型涉及涡旋光产生装置技术领域，具体涉及低阶微片涡旋光激光器。
背景技术：
涡旋光是一种横向空间分布的携带有轨道角动量，相位面呈螺旋状分布的特殊结构光场，其独特的物理特性使其被广泛应用于天文学、光学操控、显微镜、成像、传感、量子科学和光通信等领域。由于涡旋光在各个领域的广泛应用使得人们对涡旋光的质量和可调控性提出了更高的要求，因此研究高效便捷的涡旋光束产生方法便尤为重要。
目前，产生涡旋光束的主流方法有腔外调控和腔内激发两类，其中腔外调控主要有相位调制法、计算全息法，这类方法是将普通高斯光转变为涡旋光。而腔内直接激发的方法有模式转换法，环形光泵浦法。其中环形光泵浦法由于其无需复杂相位调制器件，且输出的LG模式本身就是具有轨道角动量的优质涡旋光载体，无需像散转换，这样使得激光器的结构紧凑型，输出涡旋光质量都能够得到巨大提升，这些优势使得其在近年来渐渐成为涡旋光研究中的一个热点。采用环形泵浦直接激发涡旋光场需要解决三个技术难点，一是如何获取高质量的环形泵浦光；二是如何解决泵浦光聚焦点后发散问题；三是如何对涡旋光的手性控制，避免激光器输出的混合模式没有涡旋相位。虽然针对上述技术难点现有技术也给出了一些可行性的解决方案，例如针对泵浦光整形现有技术给出了中空反射镜(例如2016年，江苏师范大学赵永光课题组，利用空心反射镜产生环形光泵浦，在Er:YAG陶瓷介质中，采用倾斜YAG板控制手性，产生了波长1532nm，单脉冲能量达到1mJ的LG0，±1的涡旋脉冲光)、特制光纤、环形光栅等方法，又如针对相反手性涡旋光的叠加输出，主流手性控制方法有腔内倾斜标准具(例如，2015年，韩国汉阳大学Kim等人在论文中给出了通过腔内插入标准具调节手性的原理：相反手性的同阶LG光束其坡印廷矢量传播具有对称性，倾斜标准具后，左右手性光到达标准具表面的入射角不同，从而产生不同的损耗)、插入四分之一波片、双纳米金属等，上述的技术手段或多或少都能解决上述部分技术难点，但都没有系统性的解决上述技术难点，从而匹配出更优的解决技术方案。
需要说明的是，上述内容属于发明人的技术认知范畴，并不必然构成现有技术。
实用新型内容：
本实用新型的目的在于解决现有技术所存在的问题，提供低阶微片涡旋光激光器，采用圆形不透明光屏对泵浦光进行整形，获得高质量环形泵浦光，采用Nd：YAG微片作为增益介质，微片介质厚度很薄，可以有效解决泵浦光的发散问题，采用Cr：YAG晶体进行被动调Q，通过改变输出耦合镜倾斜角度控制手性，输出耦合镜与激光晶体(微片)的泵浦端面构成平-凹光学谐振腔，通过移动透镜L2来改变环形泵浦光的半径，使泵浦光与不同阶次的LG模式达到模式匹配，从而获得不同阶次的LG模输出，具有结构简单稳定、集成度高、输出涡旋光束质量较高等优点。
本实用新型通过采取以下技术方案实现上述目的：
低阶微片涡旋光激光器，包括依次间隔设置的光纤耦合激光二极管、透镜A、圆形不透明光屏、透镜B、微片增益介质、调Q薄片和输出耦合镜，所述光纤耦合激光二极管用于发出泵浦光源，所述圆形不透明光屏将泵浦光整形成环状，所述透镜B将环状泵浦光聚焦至微片增益介质端面上，所述透镜B设置在精密位移滑台上，所述精密位移滑台能够调节透镜B的位置进而改变离焦距离，所述调Q薄片设置在精密调整架A上用于调整其倾斜角度，所述输出耦合镜设置在精密调整架B上用于调整其倾斜角度。
所述微片增益介质选用Nd：YAG微片，所述调Q薄片选用Cr：YAG薄片。
所述Nd：YAG微片的泵浦端面镀有增透膜和高反膜，另一端镀有增透膜。
所述Nd：YAG微片表面包裹一层铟箔，并将包裹有铟箔Nd：YAG微片设置在散热架上。
所述散热架上设有液体通道，所述液体通道接入循环冷却水对Nd：YAG微片降温。
所述精密位移滑台为一维手动调整架或三维手动调整架，所述精密调整架A和精密调节架B为三维手动调整架。
本实用新型采用上述结构，能够带来如下有益效果：
(1)通过设计圆形不透明光屏对泵浦光进行整形，结构更加简单实用，而且能够整形出高质量的环状泵浦光；(2)采用Nd：YAG微片增益介质可以很好的解决泵浦光聚焦点后的发散问题，并且得益于微片的小尺寸，使得腔长可以大大缩小，这样使得激光器的结构稳定性以及输出光束质量都能得到有效提高；(3)通过将透镜B设置在精密位移滑台上能够精准调节透镜B的位置，控制泵浦光的离焦距离，移动透镜B来改变环状泵浦光的半径，使泵浦光与不同阶次的LG模式达到模式匹配，从而获得不同阶次的LG模输出；(4)利用倾斜输出耦合镜便可以控制两种手性模式之间的损耗差距，无需在腔内插入器件便可以控制涡旋光束的手性，这样腔长可以进一步缩短，在调Q输出的情况下，更短的腔长更有利于缩短脉宽以及提高重复频率。
附图说明：
图1为本实用新型低阶微片涡旋光激光器的结构图；
图2为本实用新型微片增益介质的散热结构示意图；
图中，1、光线耦合激光二极管，2、透镜A，3、圆形不透明光屏，4、透镜B，5、微片增益介质，6、调Q薄片，7、输出耦合镜，8、精密位移平台，9、精密调整架A，10、精密调整架B，11、散热架，12、液体通道。
具体实施方式：
为了更清楚的阐释本实用新型的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本实用新型的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
如图1-2所示，低阶微片涡旋光激光器，包括依次间隔设置的光纤耦合激光二极管1、透镜A2、圆形不透明光屏3、透镜B4、微片增益介质5、调Q薄片6和输出耦合镜7，所述光纤耦合激光二极管1用于发出泵浦光源，所述圆形不透明光屏3将泵浦光整形成环状，所述透镜B4将环状泵浦光聚焦至微片增益介质5端面上，所述透镜B4设置在精密位移滑台8上，所述精密位移滑台8能够调节透镜B4的位置进而改变离焦距离，所述调Q薄片6设置在精密调整架A9上用于调整其倾斜角度，所述输出耦合镜7设置在精密调整架B10上用于调整其倾斜角度。通过设计圆形不透明光屏3对泵浦光进行整形，结构更加简单实用，而且能够整形出高质量的环状泵浦光；采用Nd：YAG微片增益介质5可以很好的解决泵浦光聚焦点后的发散问题，并且得益于微片的小尺寸，使得腔长可以大大缩小，这样使得激光器的结构稳定性以及输出光束质量都能得到有效提高；通过将透镜B4设置在精密位移滑台8上能够精准调节透镜B4的位置，控制泵浦光的离焦距离，移动透镜B4来改变环状泵浦光的半径，使泵浦光与不同阶次的LG模式达到模式匹配，从而获得不同阶次的LG模输出；利用倾斜输出耦合镜7(增大输出耦合镜7的倾斜角度，相干叠加比例改变，当其中一种手性的模式被完全抑制时，单一手性涡旋光产生。但需要注意的是，对于高阶的LG模式，难以通过输出耦合镜7选出单一手性模式，高阶模式下选出单一手性模式需要的倾斜角度较大，输出镜在这种大角度下难以保证输出模式质量，故本申请的涡旋光激光器主要适用于低阶)便可以控制两种手性模式之间的损耗差距，无需在腔内插入器件便可以控制涡旋光束的手性，这样腔长可以进一步缩短，在调Q输出的情况下，更短的腔长更有利于缩短脉宽以及提高重复频率。精密位移滑台、精密调整架A、精密调整架B属于现有技术，可以根据实际需要进行定制，其本质是如何实现空间内的自由度运动，空间移动通过滑动设置，空间旋转通过转动实现，驱动方式可以是手动，也可以是电动，例如可以选用复坦希(上海)电子科技有限公司生产的系列产品。
另外对于调Q薄片6和输出耦合镜7倾斜角度进行定义：
首先用(αx，αy)表示输出耦合镜的倾斜角度，用参考光被输出耦合镜反射形成的光点位置来计算αx、αy，已知输出耦合镜到屏的距离为L，若反射光点在屏上的坐标为(x0，y0)，则
所述微片增益介质选用Nd：YAG微片，Nd：YAG微片(晶体)具有增益高、间值低、量子效率高、热效应小、租械性能优良等优点，所述调Q薄片选用Cr：YAG薄片。Cr：YAG作为饱和吸收体的被动调Q方案来产生激光脉冲。被动调Q是利用某些晶体在对特定波长激光的可饱和吸收效应来调节腔内内损耗的技术。Cr：YAG晶体的基态吸收截面与上能级粒子寿命的乘积较大，这说明其在腔内调Q的过程中更容易漂白，除此之外，Cr：YAG晶体在光学性质、热稳定性、损伤阈值各方面表现都较为优异，使得其成为理想的被动Q开关材料。
所述Nd：YAG微片的泵浦端面镀有增透膜和高反膜，另一端镀有增透膜。
所述Nd：YAG微片表面包裹一层铟箔，并将包裹有铟箔Nd：YAG微片设置在散热架11上。
所述散热架11上设有液体通道12，所述液体通道12接入循环冷却水对Nd：YAG微片降温。
所述精密位移滑台为一维手动调整架或三维手动调整架，所述精密调整架A和精密调节架B为三维手动调整架。
实际应用或实验时，可以设定以下参数作为参考：光纤耦合输出激光二极管(LD)的中心波长为808nm，耦合光纤的纤芯直径为105μm，数值孔径为0.22。Nd：YAG微片的掺杂浓度为1.0at.％，直径10mm，厚度1mm。圆形不透明光屏的直径为2mm。透镜B的焦距为20mm，晶体的泵浦端面镀有808nm增透膜和1064nm高反膜，另一端面镀有1064nm增透膜。Cr：YAG薄片初始透过率为92％，其厚度为0.6mm。输出耦合镜(OC)的曲率半径为200mm，透过率为5％，OC和激光晶体的泵浦端面构成平-凹光学谐振腔。
上述具体实施方式不能作为对本实用新型保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本实用新型实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本实用新型的保护范围内。
本实用新型未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。
Claims (6)
1.低阶微片涡旋光激光器，其特征在于，包括依次间隔设置的光纤耦合激光二极管、透镜A、圆形不透明光屏、透镜B、微片增益介质、调Q薄片和输出耦合镜，所述光纤耦合激光二极管用于发出泵浦光源，所述圆形不透明光屏将泵浦光整形成环状，所述透镜B将环状泵浦光聚焦至微片增益介质端面上，所述透镜B设置在精密位移滑台上，所述精密位移滑台能够调节透镜B的位置进而改变离焦距离，所述调Q薄片设置在精密调整架A上用于调整其倾斜角度，所述输出耦合镜设置在精密调整架B上用于调整其倾斜角度。
2.根据权利要求1所述的低阶微片涡旋光激光器，其特征在于，所述微片增益介质选用Nd：YAG微片，所述调Q薄片选用Cr：YAG薄片。
3.根据权利要求2所述的低阶微片涡旋光激光器，其特征在于，所述Nd：YAG微片的泵浦端面镀有增透膜和高反膜，另一端镀有增透膜。
4.根据权利要求3所述的低阶微片涡旋光激光器，其特征在于，所述Nd：YAG微片表面包裹一层铟箔，并将包裹有铟箔Nd：YAG微片设置在散热架上。
5.根据权利要求4所述的低阶微片涡旋光激光器，其特征在于，所述散热架上设有液体通道，所述液体通道接入循环冷却水对Nd：YAG微片降温。
6.根据权利要求5所述的低阶微片涡旋光激光器，其特征在于，所述精密位移滑台为一维手动调整架或三维手动调整架，所述精密调整架A和精密调节架B为三维手动调整架。
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