CN113381280B - 一种中红外超快涡旋激光的直接产生装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种中红外超快涡旋激光的直接产生装置及方法，沿着激光传播方向依次设置第一凸透镜、第二凸透镜、第一平凹镜、第一圆孔光阑、激光增益介质、第二圆孔光阑、第二平凹镜、第三平凹镜、第四平凹镜、锁模元件、输出耦合镜，锁模元件接收来自第四平凹镜的光束，用于启动中红外波段脉冲激光，选择输出横模模式，调控脉冲时域波形，微调重复频率；输出耦合镜，输出谐振腔内振荡激光光束，本发明发能够直接产生一阶涡旋激光，过程简单，操作方便，且产生的涡旋激光纯度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种涡旋激光产生装置，具体是一种中红外超快涡旋激光的直接产生装置及方法，属于超快激光以及涡旋光束技术领域。
背景技术
涡旋光束携带有轨道角动量，其光强横截面分布为环形，等相位面为螺旋形，相位中心是奇点。涡旋光束的表达式中含有相位因子l是拓扑电荷数，是方位角，这是基膜高斯光束表达式中没有的。涡旋光束一般可以分为拉盖尔高斯光束和贝塞尔高斯光束，拉盖尔高斯光束的相位因子是贝塞尔高斯光束表达式中的相位因子为这些特征尤其是带有轨道角动量使得涡旋光束在光通信、光操纵、超分辨成像、光学加工和量子通信等领域被广泛应用。其中，光镊技术是利用涡旋光束的轨道角动量操纵微粒甚至驱动微粒旋转；传统光通信是对光的振幅、相位进行调制来满足通信需求的，后来发现轨道角动量也可以用于信息传输和接收，为通信传输增加了新的维度。
涡旋激光的产生方法主要有间接产生和直接产生两种，间接产生是指利用一些光学转换元件、光束整形元件来产生涡旋光束，比如螺旋相位板、空间光调制器、柱透镜、计算全息板等，此类产生方法一般是利用基膜高斯光束进行相位调制，振幅不发生变化，这种产生方法会导致产生的涡旋光束由于模式的叠加而纯度较低。中国发明专利2017年11月17日公开的一种公开号为CN107357113B的“一种涡旋超短激光脉冲放大系统及方法，利用泵浦脉冲模式转换/整形器和宽带涡旋激光脉冲转换器转换激光模式，这样产生的涡旋激光纯度不高；直接产生涡旋激光的方法器件上更为简单，比如利用增益介质的热透镜效应、非共线泵浦、腔内加入标准具、环形泵浦、双端泵浦等，中国发明专利2018年12月18日公开的一种公开号为CN109038196B的“一种直接产生涡旋光束的装置”以法拉第磁致旋光的方式使得不同方向的激光模式产生损耗差直接产生涡旋激光，但产生过程较为复杂。
因此，设计出一种可以更加简单可靠地产生高纯度的涡旋激光光束的方法逐渐成为激光研究领域的热点技术方向。
发明内容
本发明的目的是提供一种中红外超快涡旋激光的直接产生装置及方法，能够直接产生一阶涡旋激光，过程简单，且产生的涡旋激光纯度高。
为了实现上述目的，本发明提供的一种中红外超快涡旋激光的直接产生装置，包括激光泵浦源、第一凸透镜、第二凸透镜、第一平凹镜、第一圆孔光阑、激光增益介质、第二圆孔光阑、第二平凹镜、第三平凹镜、第四平凹镜、锁模元件、输出耦合镜；
激光泵浦源，用于提供泵浦激光；
第一凸透镜，用于将激光泵浦源产生的激光聚焦到第二凸透镜上；
第二凸透镜，用于将经过第一凸透镜聚焦的光束聚焦到第一平凹镜上；
第一平凹镜和第二平凹镜共同作用形成共焦点谐振腔系统；
第一圆孔光阑和第二圆孔光阑置于激光增益介质的两侧；
激光增益介质置于焦点处，接收第一平凹镜的泵浦激光产生中红外波段的涡旋光束输出；
第二平凹镜，接收来自激光增益介质的光束；
第三平凹镜接收第一平凹镜的泵浦光束，并反射到第四平凹镜上；
第四平凹镜将接收到的传输光束，反射到锁模元件上面；
锁模元件接收来自第四平凹镜的光束，用于启动中红外波段脉冲激光，选择输出横模模式，调控脉冲时域波形，微调重复频率；
输出耦合镜，输出谐振腔内振荡激光光束。
本发明的激光谐振腔是对称腔形，第一平凹镜到激光增益介质的距离是d1，激光增益介质到第二平凹镜的距离是d2，第二平凹镜到输出耦合镜的距离是d3，第一平凹镜到第三平凹镜的距离是d4，第三平凹镜到第四平凹镜的距离为d5；第四平凹镜到锁模元件的距离是d6；第一平凹镜处入射光线和反射光线的夹角为θ1，第二平凹镜处入射光线和反射光线的夹角为θ2，第三平凹镜处入射光线和反射光线的夹角为θ3，第四平凹镜处入射光线和反射光线的夹角为θ4，谐振腔中子午方向的传输矩阵为弧矢方向的传输矩阵为其中，Mi表示谐振腔中腔镜和自由空间的传输矩阵，第一平凹镜(焦距是f1)的子午方向和弧矢方向传输矩阵分别为：d1的子午方向和弧矢方向传输矩阵为：激光增益介质(焦距是f2)的子午方向和弧矢方向传输矩阵为：d2的子午方向和弧矢方向传输矩阵为：第二平凹镜(焦距是f3)的子午方向和弧矢方向传输矩阵分别为：d3的子午方向和弧矢方向传输矩阵为：输出耦合镜是平面镜，传输矩阵为1，此处省略；d4的子午方向和弧矢方向传输矩阵为：第三平凹镜(焦距是f4)的子午方向和弧矢方向传输矩阵分别为：d5的子午方向和弧矢方向传输矩阵为：第四平凹镜(焦距是f5)的子午方向和弧矢方向传输矩阵分别为：d6的子午方向和弧矢方向传输矩阵为：锁模元件(焦距是f6)的子午方向和弧矢方向传输矩阵为：MT满足满足激光能够在谐振腔内稳定传输。
本发明还包括置于第三平凹镜和第四平凹镜之间或者置于输出耦合镜前任意位置的手性选择元件，手性选择元件是带有双折射特性的滤波片，手性选择元件能够选择涡旋激光的手性、波长，实现对腔内的非线性调节，其他位置补偿腔内色散，调节其角度对超快涡旋激光作手性选择和波长调谐。
本发明的激光泵浦源是高功率的激光二极管，输出波长与激光增益介质的吸收波长匹配；本发明的激光增益介质均为Tm3+掺杂的各向异性a切的CaYAlO4晶体、各向异性c切的CaYAlO4晶体、各向同性的YAG晶体中的一种。
本发明第一平凹镜的倾斜角度在原角度(镜面与泵浦光夹角为90°)的98-102％，第二平凹镜的倾斜角度在原角度(镜面与泵浦光夹角为90°)的98-103％，涡旋光束可以在谐振腔内传输。
本发明的第一圆孔光阑和第二圆孔光阑可以用于定位谐振腔内传输激光，用于确定谐振腔内为共线泵浦方式；第一圆孔光阑和第二圆孔光阑也可用于滤波，不同的光阑大小对应谐振腔内不同的横模模式，光阑直径最大为5mm；光阑在不同位置提高信噪比可以实现克尔透镜锁模。
本发明第三平凹镜的竖直倾斜范围可以改变，当满足入射光线和反射光线的夹角是θ3的90-110％，涡旋光束可以在谐振腔内传输，改变其镜片角度不会改变谐振腔内共线泵浦的状态。
本发明第四平凹镜的竖直倾斜范围可以改变，当满足入射光线和反射光线的夹角是θ4的90-110％，涡旋光束在谐振腔内传输，改变其镜片角度不会改变谐振腔内共线泵浦的状态；改变第四平凹镜和锁模元件之间的长度d6在产生激光的距离的110.92％时能够产生涡旋激光输出，在只调节锁模元件与第四平凹镜之间的距离时还会出现不同的横模模式，调节范围是产生激光距离的93.2-111.13％。
本发明的锁模元件是半导体锁模可饱和吸收镜，调制深度为1.2％、2.4％、3％、5％中的任意一种，工作波段在1850-2100nm；所述输出耦合镜的透射率为2％或者5％，工作波段在1850-2100nm。
一种中红外超快涡旋激光的直接产生方法，包括以下步骤：
①激光泵浦源产生泵浦激光，焦距相同的第一凸透镜和第二凸透镜调节一定角度后将泵浦光束准直到由第一平凹镜上；调节第一平凹镜、激光增益介质、第二平凹镜的角度使得谐振腔内的泵浦方式为共线泵浦，调节第一圆孔光阑和第二圆孔光阑的大小使得泵浦方式为共线泵浦；聚焦到激光增益介质上的泵浦光束被增益介质吸收产生粒子数反转；调节第三平凹镜、第四平凹镜和锁模元件的位置使激光发生谐振，产生基阶模式2μm超快激光；
②激光在谐振腔内产生谐振对脉冲有放大效果，经过第三平凹镜和第四平凹镜反射激光入射到锁模元件上；通过调节锁模元件和第四平凹镜之间的距离发生可饱和吸收效应，产生2μm的超短锁模基阶脉冲输出；
③通过调节输出耦合镜和谐振腔内激光的偏离角度，左右角度调节范围在1-3°，上下角度调节范围在1-2°内产生2μm超快涡旋光束；通过调节第一圆孔光阑和第二圆孔光阑的大小提高涡旋激光信噪比；利用透射率为2％或者5％的输出耦合镜改变输出涡旋光束的光强；通过调节第四平凹镜和锁模元件之间的距离，可以在不改变腔内共线泵浦状态的情况下控制腔内的横模模式，输出指定横模模式的超快激光；
④通过加入手性选择元件，改变倾斜角实现手性选择和波长调谐，通过改变位置对腔内色散进行控制、调节非线性；
⑤通过CCD相机、干涉仪对输出激光的光斑强度分布、干涉图样进行检测；用示波器、自相关仪检测时域特性，用光谱仪检测频域特性；用频谱分析仪测量脉冲重频和信噪比，优化腔内参数，可直接产生中红外波段的超快涡旋激光。
与现有技术相比，本发明沿着激光传播方向依次设置第一凸透镜、第二凸透镜、第一平凹镜、第一圆孔光阑、激光增益介质、第二圆孔光阑、第二平凹镜、第三平凹镜、第四平凹镜、锁模元件、输出耦合镜，锁模元件接收来自第四平凹镜的光束，用于启动中红外波段脉冲激光，选择输出横模模式，调控脉冲时域波形，微调重复频率；输出耦合镜，输出谐振腔内振荡激光光束，本发明能够获得全固态激光器中产生的中红外波段超快涡旋激光脉冲，在装置中不加入任何整形元件可直接获得超快涡旋激光光束，脉冲宽度在几个皮秒量级，输出功率在百毫瓦量级，且产生的涡旋激光是线偏振标量光束；本发明能够获得横模模式可调的涡旋激光和高斯光束，在腔外加入手性选择器件——双折射滤波片，可以选择一阶涡旋激光的手性，输出右旋和左旋的涡旋激光光束，其次，可以通过调节第四平凹镜和锁模元件之间的距离控制高斯光束的横模模式，得到不同横模的高斯光束脉冲，本发明获得的可控的中红外涡旋激光应用在超分辨成像、光操纵等领域具有很大的价值。
附图说明
图1是本发明实施例1直接产生中红外波段超快涡旋激光的装置图；
图2是本发明实施例1中用相机探测的涡旋激光光斑图；
图3是本发明实施例1直接产生中红外波段超快涡旋激光的锁模脉冲图像；
图4为本发明实施例1直接产生中红外波段超快涡旋激光的光谱频域和自相关曲线；
图5为本发明实施例1直接产生中红外波段超快涡旋激光的射频频谱图像；
图6为本发明实施例1获得的其他横模模式光斑图；
图7为本发明实施例2、实施例3、实施例4、实施例5中红外波段超快涡旋激光的手性选择、波长调谐、色散控制、非线性调节装置图；
图8为本发明实施例2、实施例3、实施例4、实施例5中手性选择元件的位置或者角度调节示意图；
图9为本发明实施例1模拟的平面干涉条纹和球面干涉条纹图。
图中：1、激光泵浦源，2、第一凸透镜，3、第二凸透镜，4、第一平凹镜，5、第一圆孔光阑，6、激光增益介质，7、第二圆孔光阑，8、第二平凹镜，9、第三平凹镜，10、第四平凹镜，11、锁模元件，12、输出耦合镜，13、手性选择元件。
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，一种中红外超快涡旋激光的直接产生装置，包括激光泵浦源1、第一凸透镜2、第二凸透镜3、第一平凹镜4、第一圆孔光阑5、激光增益介质6、第二圆孔光阑7、第二平凹镜8、第三平凹镜9、第四平凹镜10、锁模元件11、输出耦合镜12；
激光泵浦源1，用于提供泵浦激光；
第一凸透镜2，用于将激光泵浦源1产生的激光聚焦到第二凸透镜3上；
第二凸透镜3，用于将经过第一凸透镜2聚焦的光束聚焦到第一平凹镜4上；
第一平凹镜4和第二平凹镜8共同作用形成共焦点谐振腔系统；
第一圆孔光阑5和第二圆孔光阑7置于激光增益介质6的两侧，用于确认谐振腔内泵浦方式是共线泵浦方式，并非环形光阑，可用于提高腔内激光信噪比、实现克尔透镜硬光阑锁模；
激光增益介质6置于焦点处，接收第一平凹镜4的泵浦激光产生中红外波段的涡旋光束输出；
第二平凹镜8，接收来自激光增益介质6的光束，和第一平凹镜4共同作用形成共焦点谐振腔系统；
第三平凹镜9接收第一平凹镜4的泵浦光束，并反射到第四平凹镜10上；
第四平凹镜10将接收到的传输光束，反射到锁模元件11上面；
锁模元件11接收来自第四平凹镜10的光束，用于启动中红外波段脉冲激光，选择输出横模模式，调控脉冲时域波形，微调重复频率，是产生超快涡旋激光的关键器件之一；
输出耦合镜12，输出谐振腔内振荡激光光束。
所述激光谐振腔是对称腔形，第一平凹镜到激光增益介质的距离是d1，激光增益介质到第二平凹镜的距离是d2，第二平凹镜到输出耦合镜的距离是d3，第一平凹镜到第三平凹镜的距离是d4，第三平凹镜到第四平凹镜的距离为d5；第四平凹镜到锁模元件的距离是d6；第一平凹镜处入射光线和反射光线的夹角为θ1，第二平凹镜处入射光线和反射光线的夹角为θ2，第三平凹镜处入射光线和反射光线的夹角为θ3，第四平凹镜处入射光线和反射光线的夹角为θ4，谐振腔中子午方向的传输矩阵为弧矢方向的传输矩阵为其中，Mi表示谐振腔中腔镜和自由空间的传输矩阵，第一平凹镜4(焦距是f1)的子午方向和弧矢方向传输矩阵分别为：d1的子午方向和弧矢方向传输矩阵为：激光增益介质6(焦距是f2)的子午方向和弧矢方向传输矩阵为：d2的子午方向和弧矢方向传输矩阵为：第二平凹镜8(焦距是f3)的子午方向和弧矢方向传输矩阵分别为：d3的子午方向和弧矢方向传输矩阵为：输出耦合镜12是平面镜，传输矩阵为1，此处省略；d4的子午方向和弧矢方向传输矩阵为：第三平凹镜9(焦距是f4)的子午方向和弧矢方向传输矩阵分别为：d5的子午方向和弧矢方向传输矩阵为：第四平凹镜10(焦距是f5)的子午方向和弧矢方向传输矩阵分别为：d6的子午方向和弧矢方向传输矩阵为：锁模元件11(焦距是f6)的子午方向和弧矢方向传输矩阵为：MT满足MS满足激光能够在谐振腔内稳定传输。
如图7所示，本发明还包括置于第三平凹镜9和第四平凹镜10之间或者置于输出耦合镜12前任意位置的手性选择元件13，手性选择元件13是带有双折射特性的滤波片，手性选择元件13能够选择涡旋激光的手性、波长，实现对腔内的非线性调节，其他位置补偿腔内色散，调节其角度对超快涡旋激光作手性选择和波长调谐。
激光泵浦源1是高功率的激光二极管，输出波长与激光增益介质6的吸收波长匹配；所述激光增益介质6均为Tm3+掺杂的各向异性a切的CaYAlO4晶体、各向异性c切的CaYAlO4晶体、各向同性的YAG晶体中的一种。
第一平凹镜4的倾斜角度在原角度(镜面与泵浦光夹角为90°)的98-102％，第二平凹镜8的倾斜角度在原角度(镜面与泵浦光夹角为90°)的98-103％，涡旋光束可以在谐振腔内传输。
第一圆孔光阑5和第二圆孔光阑7可以用于定位谐振腔内传输激光，确定谐振腔内为共线泵浦方式；也可用于滤波，不同的光阑大小对应谐振腔内不同的横模模式，光阑直径最大为5mm；光阑在不同位置提高信噪比可以实现克尔透镜锁模。
第三平凹镜9的竖直倾斜范围可以改变，当满足入射光线和反射光线的夹角是θ3的90-110％，涡旋光束可以在谐振腔内传输，改变其镜片角度不会改变谐振腔内共线泵浦的状态。
所述第四平凹镜10的的竖直倾斜范围可以改变，当满足入射光线和反射光线的夹角是θ4的90-110％，涡旋光束可以在谐振腔内传输，改变其镜片角度不会改变谐振腔内共线泵浦的状态；改变第四平凹镜10和锁模元件11之间的长度d6在产生激光的距离的110.92％时可以产生涡旋激光输出，在只调节锁模元件11与第四平凹镜10之间的距离时还会出现不同的横模模式，调节范围是产生激光的距离的的93.2-111.13％。
锁模元件11是半导体锁模可饱和吸收镜，调制深度为1.2％、2.4％、3％、5％中的任意一种，工作波段在1850-2100nm；所述输出耦合镜12的透射率为2％或者5％，工作波段在1850-2100nm。
一种中红外超快涡旋激光的直接产生方法，包括以下步骤：
①激光泵浦源1产生泵浦激光，焦距相同的第一凸透镜2和第二凸透镜3调节一定角度后将泵浦光束准直到由第一平凹镜4上；调节第一平凹镜4、激光增益介质6、第二平凹镜8的角度使得谐振腔内的泵浦方式为共线泵浦，调节第一圆孔光阑5和第二圆孔光阑7的大小使得泵浦方式为共线泵浦；聚焦到激光增益介质6上的泵浦光束被增益介质吸收产生粒子数反转；调节第三平凹镜9、第四平凹镜10和锁模元件11的位置使激光发生谐振，产生基阶模式2μm超快激光；
②激光在谐振腔内产生谐振对脉冲有放大效果，经过第三平凹镜9和第四平凹镜10反射激光入射到锁模元件11上；通过调节锁模元件11和第四平凹镜10之间的距离发生可饱和吸收效应，产生2μm的超短锁模基阶脉冲输出；
③通过调节输出耦合镜12和谐振腔内激光的偏离角度，左右角度调节范围在1-3°，上下角度调节范围在1-2°内产生2μm超快涡旋光束；通过调节第一圆孔光阑5和第二圆孔光阑7的大小提高涡旋激光信噪比；利用透射率为2％或者5％的输出耦合镜12改变输出涡旋光束的光强；通过调节第四平凹镜10和锁模元件11之间的距离，可以在不改变腔内共线泵浦状态的情况下控制腔内的横模模式，输出指定横模模式的超快激光；
④通过加入手性选择元件10，改变倾斜角实现手性选择和波长调谐，通过改变位置对腔内色散进行控制、调节非线性；
⑤通过CCD相机、干涉仪对输出激光的光斑强度分布、干涉图样进行检测；用示波器、自相关仪检测时域特性，用光谱仪检测频域特性；用频谱分析仪测量脉冲重频和信噪比，优化腔内参数，可直接产生中红外波段的超快涡旋激光。
实施例1
如图1所示，一种直接产生中红外涡旋激光的装置，具体包括：
激光泵浦源1，是商用的793nm光纤耦合的激光二极管，其纤芯直径为105μm，数值孔径NA是0.22，功率最高为12W，产生的泵浦光激励激光增益介质6产生2μm波段的激光输出。
第一凸透镜2和第二凸透镜3，焦距100mm，对激光泵浦源1产生的泵浦光进行准直，第一凸透镜2和激光泵浦源1之间的距离是100mm，第一凸透镜2和第二凸透镜3之间的距离是50mm。
激光增益介质6，和第一平凹镜4的距离d1为35mm，是Tm3+掺杂的各向异性a切的CaYAlO4晶体，掺杂浓度为4％，在1900-2100nm波段涂覆了增透涂层，在晶体两端还存在同样波段的增透膜，晶体长度是6.1mm，受激辐射横截面面积大约是3x3mm2，受到泵浦光激励后可以产生2μm波段的线性偏振超快涡旋激光。
第一平凹镜4、第二平凹镜8、第三平凹镜9具有相同的曲率半径，其曲率半径为100mm，第四平凹镜10的曲率半径为50mm，第一平凹镜4、第二平凹镜8、第三平凹镜9、第四平凹镜10都在1850-2100nm波段镀有高反膜；第一平凹镜4距离第二凸透镜3的距离为35mm，它的入射光线和反射光线的夹角θ1＜16°；第二平凹镜8和激光增益介质6之间的距离d2为49mm，它的入射光线和反射光线的夹角θ2＝20°；第三平凹镜9和第一平凹镜4间的距离d4为491mm，第三平凹镜9处入射光线和反射光线的夹角θ3<20°；第四平凹镜10和第三平凹镜9间距离d5为98mm，第四平凹镜10处入射光线和反射光线的夹角θ4<18°，第三平凹镜9处入射光线和反射光线的夹角为θ3，第四平凹镜10处入射光线和反射光线的夹角为θ4，谐振腔中子午方向的传输矩阵为弧矢方向的传输矩阵为其中，Mi表示谐振腔中腔镜和自由空间的传输矩阵，第一平凹镜4(焦距是f1)的子午方向和弧矢方向传输矩阵分别为：d1的子午方向和弧矢方向传输矩阵为：激光增益介质6(焦距是f2)的子午方向和弧矢方向传输矩阵为：d2的子午方向和弧矢方向传输矩阵为：第二平凹镜8(焦距是f3)的子午方向和弧矢方向传输矩阵分别为：d3的子午方向和弧矢方向传输矩阵为：输出耦合镜12是平面镜，传输矩阵为1，此处省略；d4的子午方向和弧矢方向传输矩阵为：第三平凹镜9(焦距是f4)的子午方向和弧矢方向传输矩阵分别为：d5的子午方向和弧矢方向传输矩阵为：第四平凹镜10(焦距是f5)的子午方向和弧矢方向传输矩阵分别为：d6的子午方向和弧矢方向传输矩阵为：锁模元件11(焦距是f6)的子午方向和弧矢方向传输矩阵为：MT满足MS满足激光能够在谐振腔内稳定传输。
第一圆孔光阑5、第二圆孔光阑7内径均为5mm，可以调节至更小内径。
锁模元件11，采用的商用化半导体可饱和吸收镜(SESAM)，调制深度为1.2％，SESAM上的腔模直径约为70μm，距离第四平凹镜10距离为49mm。
输出耦合镜12，采用的是平凹镜，在1850到2100nm波段透射率为2％或5％，和第二平凹镜8间的距离d3为490mm。
本发明谐振腔中腔镜的距离和角度满足激光稳定谐振条件，使用市面上普通激光二极管泵浦源泵浦激光增益介质，通过调节输出耦合镜12和腔内激光的夹角以及锁模元件11和第四平凹镜10之间的距离直接产生中红外波段涡旋激光。
为了更进一步的说明本实施例直接产生中红外波段涡旋激光的方法，现结合附图及具体实例详述如下：
如图1所示，首先利用激光泵浦源1的工作波长在793nm的高功率光纤耦合激光二极管产生泵浦激光，泵浦光束经过焦距相同的第一凸透镜2和第二凸透镜3后被准直，由第一平凹镜4和第二平凹镜8将泵浦光束聚焦到激光增益介质6上，被增益介质吸收产生粒子数反转；
其次，激光在腔内产生谐振对脉冲有放大效果，经过第三平凹镜9和第四平凹镜10反射镜反射激光入射到锁模元件11上，锁模元件是SESAM，有可饱和吸收效应，可以窄化脉冲，减小脉冲宽度，产生2μm超短脉冲输出。
其次，通过调节输出耦合镜12和腔内激光的偏离角度，左右角度调节范围在1-3°，上下角度调节范围在1-2°内易产生超快涡旋光束。
接着，调节锁模元件11与第四平凹镜10之间的距离可以得到不同横模模式，距离为产生激光的距离的110.92％时，此时锁模元件11对应图1中的115位置产生的涡旋光束，如图2所示，左边是在泵浦功率为4W的条件下测得的涡旋激光光束，右边是在泵浦功率为7W的条件下测得的涡旋激光光束，此时的时域锁模脉冲图像如图3所示，光谱频域图像、自相关曲线如图4(a)、图4(b)所示，射频频谱图像如图5所示，超快涡旋激光的重频是120.8MHz；在9W泵浦功率下测得锁模脉冲宽度是2.92ps，光谱宽度是2nm；在12W泵浦功率下测得锁模脉冲宽度是1.97ps，光谱宽度是3.1nm，中心波长是1967nm；3GHz和600kHz扫描范围下的信噪比为70dB。
除了LG01模式，还能通过调节锁模元件11与第四平凹镜110之间的距离得到如图6中的六种模式，距离分别为产生激光的距离的106.37％、111.13％、101.78％、98.37％、96.98％、93.20％，锁模元件11在谐振腔中的位置分别对应114、116、113、112、111、110。
其中，激光增益介质6两侧的第一圆孔光阑5和第二圆孔光阑7的作用是保证泵浦方式是共线泵浦，使得激光器可以在共线泵浦方式下产生中红外超快涡旋激光。
上述直接产生中红外涡旋激光的方法可以通过CCD相机(WinCamD-IR-BB，像素大小为17μm)来测量光束的空间强度分布，可以实时监测输出光斑的横模模式。
实施例2
如图7所示，一种控制中红外涡旋激光手性的装置，具体包括：
激光泵浦源1，是商用的793nm光纤耦合的激光二极管，其纤芯直径为105μm，数值孔径NA是0.22，功率最高为12W，产生的泵浦光激励激光增益介质6产生2μm波段的激光输出。
第一凸透镜2和第二凸透镜3，焦距100mm，对激光泵浦源1产生的泵浦光进行准直，第一凸透镜2和激光泵浦源1之间的距离是100mm，第一凸透镜2和第二凸透镜3之间的距离是50mm。
激光增益介质6，和第一平凹镜4的距离d1为35mm，激光增益介质是Tm3+掺杂的各向异性c切的CaYAlO4晶体，掺杂浓度为4％，在1900-2100nm波段涂覆了增透涂层，在晶体两端还存在同样波段的增透膜，晶体长度是6.1mm，受激辐射横截面面积大约是3x3mm2，受到泵浦光激励后可以产生2μm波段的线性偏振超快涡旋激光。
第一平凹镜4、第二平凹镜8、第三平凹镜9具有相同的曲率半径，其曲率半径为100mm，第四平凹镜10的曲率半径为50mm，第一平凹镜4、第二平凹镜8、第三平凹镜9、第四平凹镜10都在1850-2100nm波段镀有高反膜；第一平凹镜4距离第二凸透镜3的距离为30mm，它的入射光线和反射光线的夹角θ1＜16°；第二平凹镜8和激光增益介质6之间的距离d2为52mm，它的入射光线和反射光线的夹角θ1＝20°；第三平凹镜9和第一平凹镜4间的距离d4为491mm，第三平凹镜9处入射光线和反射光线的夹角θ3<20°；第四平凹镜10和第三平凹镜9间距离d5为98mm，第四平凹镜10处入射光线和反射光线的夹角θ4<18°；第一圆孔光阑5、第二圆孔光阑7内径均为5mm，可以调节至更小内径。
手性选择元件13为双折射滤波片，在本实施例中用于涡旋激光的手性选择，将手性选择元件13放置在第三平凹镜9和第四平凹镜10之间的任意位置。
锁模元件11，采用的商用化半导体可饱和吸收镜(SESAM)，调制深度为2.4％，SESAM上的腔模直径约为70μm，距离第四平凹镜10的距离为49mm。
输出耦合镜12，采用的是平凹镜，在1850到2100nm波段透射率为2％或5％，和第二平凹镜8间的距离d3为490mm。
本发明谐振腔中腔镜的距离和角度满足激光稳定谐振条件，使用市面上普通激光二极管泵浦源泵浦激光增益介质，通过调节手性选择元件13和腔内激光的横向夹角产生中红外波段不同手性的涡旋激光。
为了更进一步的说明本实施例控制中红外波段涡旋激光手性的方法，现结合附图及具体实例详述如下：
在实施例1产生涡旋激光的基础上，只改变了激光增益介质6的切向以及锁模元件11的调制深度，在第三平凹镜9和第四平凹镜10之间任意位置插入一个手性选择元件13，首先，调节手性选择元件13的左右位置，使激光正好入射到其中心位置，调节手性选择元件13的角度使其镜面和谐振腔内激光正好垂直；接着，通过手性选择元件13的调整架调节其镜面和谐振腔内激光的偏移角度，如图8(a)所示，原始角度α为90°，每次调节的角度大概在0.3°左右，在实施例2中采用CCD相机监测马赫—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13的倾斜角在96.67％-97.78％α范围内时，产生的涡旋激光是模式，其干涉结果用MATLAB软件的仿真结果见图9，上半部分是平面波干涉结果，其条纹有向上的分叉；下半部分是球面波干涉结果，是顺时针的右旋条纹。当手性选择元件13的倾斜角在101.67％-102.78％α范围内时，产生了模式的涡旋激光，图9的右上角是其平面波干涉仿真结果，是开叉向下的竖状条纹；右下角是球面波干涉的仿真结果，是逆时针的左旋条纹。实验中测量结果与仿真结果吻合。
实施例3
本实施例使用市面上普通激光二极管泵浦源泵浦激光增益介质，通过旋转手性选择元件13产生不同波长的涡旋激光。
为了更进一步的说明本实施例3超快涡旋激光波长调谐的方法，现结合图7和图8及具体实例详述如下：
在实施例2的基础上，仅改变激光增益介质6为掺Tm3+的YAG晶体、锁模元件的调制深度为3％，将手性选择元件13仍然放置在第三平凹镜9和第四平凹镜10中间，在实施例2所述的产生带手性的涡旋光束中，手性选择元件13的倾斜角在96.11％-96.67％α、102.78％-103.89％α范围内，在这个范围内，保持涡旋激光的左旋和右旋手性，调节手性选择元件13的旋转角度，如图8(b)所示，每次调节的精度是0.2°左右，可以得到不同波长的涡旋激光输出。
其中，改变手性选择元件13的旋转角度时，输出波长在1955-1970nm范围内，可调范围是15nm，此过程中腔内泵浦方式仍然是共线泵浦，输出激光的模式是LG01模。
实施例4
本实施例使用市面上普通激光二极管泵浦源泵浦激光增益介质，通过改变手性选择元件13的厚度对谐振腔内色散进行补偿。
为了更进一步的说明本实施例4色散补偿的方法，现结合图7和图8及具体实例详述如下：
在实施例3的基础上，改变激光增益介质6为掺Tm3+的各向异性a切的CaYAlO4晶体、锁模元件的调制深度为5％，将手性选择元件13放置在第三平凹镜9和第四平凹镜10之间的任意位置，或者放置在输出耦合镜12和第二平凹镜8之间的任意位置，其中，手性选择元件13是双折射滤波片，在本实施例中，有两种双折射滤波片，一种是石英标准具，色散值在1.46左右可调；另一种是YVO4楔形晶体，色散值在1.95左右可调，都可以作为手性选择元件13放置在腔内补偿腔内的负色散，这两种晶体都是透明材料制成，保证谐振腔内的激光振荡。其他方法中也有用光栅对作为色散控制元件的，但由于对腔内功率损耗大不利于涡旋光束的形成而不适用。
其中，调节手性选择元件13即石英标准具或YVO4楔形晶体的前后位置可以对其色散值进行调控，如图8(c)所示，进而选择最佳厚度对应的晶体来补偿腔内色散，将手性选择元件13放置在第三平凹镜9和第四平凹镜10之间，当石英晶体的位置偏离焦点20-30％的焦距时、YVO4楔形晶体偏离焦点15-30％焦距时色散调控效果最佳；放置在输出耦合镜12和第二平凹镜8之间，也可以适当对色散进行补偿。
实施例5
本实施例使用市面上普通激光二极管泵浦源泵浦激光增益介质，通过改变手性选择元件13的相对位置和数量对谐振腔内非线性进行调节。
为了更进一步的说明本实施例5色散控制的方法，现结合图7和图8及具体实例详述如下：
在实施例4的基础上，改变激光增益介质6为掺Tm3+的各向异性c切的CaYAlO4晶体，将手性选择元件13仍然放置在第三平凹镜9和第四平凹镜10中间。
其中，手性选择元件13是双折射滤波片，腔内非线性值和其放置的前后位置有关系，也和其放置的双折射滤波片数量有关系。
其中，手性选择元件13放置在第三平凹镜9和第四平凹镜10的焦点位置(如图8(d)所示)可以对腔内非线性进行调节。
其中，手性选择元件13的数量也会对谐振腔内的非线性值有影响，放置一块双折射滤波片时调控效果最弱，放置的数量越多，调控效果最佳，但数量的调整是要在谐振腔内激光正常振荡和脉冲无分裂的前提下。
Claims (8)
1.一种中红外超快涡旋激光的直接产生装置，其特征在于，包括激光泵浦源(1)、第一凸透镜(2)、第二凸透镜(3)、第一平凹镜(4)、第一圆孔光阑(5)、激光增益介质(6)、第二圆孔光阑(7)、第二平凹镜(8)、第三平凹镜(9)、第四平凹镜(10)、锁模元件(11)、输出耦合镜(12)；
激光泵浦源(1)，用于提供泵浦激光；
第一凸透镜(2)，用于将激光泵浦源(1)产生的激光聚焦到第二凸透镜(3)上；
第二凸透镜(3)，用于将经过第一凸透镜(2)聚焦的光束聚焦到第一平凹镜(4)上；
第一平凹镜(4)和第二平凹镜(8)共同作用形成共焦点谐振腔系统；
第一圆孔光阑(5)和第二圆孔光阑(7)置于激光增益介质(6)的两侧；
激光增益介质(6)置于焦点处，接收第一平凹镜(4)的泵浦激光产生中红外波段的涡旋光束输出；
第二平凹镜(8)，接收来自激光增益介质(6)的光束；
第三平凹镜(9)接收第一平凹镜(4)的激光光束，并反射到第四平凹镜(10)上；
第四平凹镜(10)将接收到的传输光束，反射到锁模元件(11)上面；
锁模元件(11)接收来自第四平凹镜(10)的光束，用于启动中红外波段脉冲激光，选择输出横模模式，调控脉冲时域波形，微调重复频率；
输出耦合镜(12)，输出谐振腔内振荡激光光束；
所述激光谐振腔是对称腔形，第一平凹镜(4)到激光增益介质(6)的距离是d1，激光增益介质(6)到第二平凹镜(8)的距离是d2，第二平凹镜(8)到输出耦合镜(12)的距离是d3，第一平凹镜(4)到第三平凹镜(9)的距离是d4，第三平凹镜(9)到第四平凹镜(10)的距离为d5；第四平凹镜(10)到锁模元件(11)的距离是d6；第一平凹镜(4)处入射光线和反射光线的夹角为θ1，第二平凹镜(8)处入射光线和反射光线的夹角为θ2，第三平凹镜(9)处入射光线和反射光线的夹角为θ3，第四平凹镜(10)处入射光线和反射光线的夹角为θ4，腔镜之间的距离以及角度符合谐振腔的稳定性条件；
所述第一平凹镜(4)的倾斜角度在原角度的98-102％，第二平凹镜(8)的倾斜角度在原角度的98-103％，涡旋光束可以在谐振腔内传输。
2.根据权利要求1所述的一种中红外超快涡旋激光的直接产生装置，其特征在于，还包括置于第三平凹镜(9)和第四平凹镜(10)之间或者置于输出耦合镜(12)前任意位置的手性选择元件(13)，手性选择元件(13)是带有双折射特性的滤波片。
3.根据权利要求1所述的一种中红外超快涡旋激光的直接产生装置，其特征在于，所述激光泵浦源(1)是高功率的激光二极管，输出波长与激光增益介质(6)的吸收波长匹配；所述激光增益介质(6)均为Tm3+掺杂的各向异性a切的CaYAlO4晶体、各向异性c切的CaYAlO4晶体、各向同性的YAG晶体中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种中红外超快涡旋激光的直接产生装置，其特征在于，所述第一圆孔光阑(5)和第二圆孔光阑(7)用于定位谐振腔内传输激光，确定谐振腔内为共线泵浦方式；第一圆孔光阑(5)和第二圆孔光阑(7)用于滤波，不同的光阑大小对应谐振腔内不同的横模模式，光阑直径最大为5mm；光阑在不同位置提高信噪比可以实现克尔透镜锁模。
5.根据权利要求1所述的一种中红外超快涡旋激光的直接产生装置，其特征在于，所述第三平凹镜(9)的竖直倾斜范围能够改变，当满足入射光线和反射光线的夹角是θ3的90-110％，涡旋光束可以在谐振腔内传输，改变其镜片角度不会改变谐振腔内共线泵浦的状态。
6.根据权利要求1所述的一种中红外超快涡旋激光的直接产生装置，其特征在于，所述第四平凹镜(10)的竖直倾斜范围可以改变，当满足入射光线和反射光线的夹角是θ4的90-110％，涡旋光束在谐振腔内传输，改变其镜片角度不会改变谐振腔内共线泵浦的状态；改变第四平凹镜(10)和锁模元件(11)之间的长度d6在产生激光的距离的110.92％时能够产生涡旋激光输出，在只调节锁模元件(11)与第四平凹镜(10)之间的距离时还会出现不同的横模模式，调节范围是产生激光距离的93.2-111.13％。
7.根据权利要求1所述的一种中红外超快涡旋激光的直接产生装置，其特征在于，所述锁模元件(11)是半导体锁模可饱和吸收镜，调制深度为1.2％、2.4％、3％、5％中的任意一种，工作波段在1850-2100nm；所述输出耦合镜(12)的透射率为2％或者5％，工作波段在1850-2100nm。
8.一种基于权利要求1-7所述中红外超快涡旋激光的直接产生装置的产生方法，其特征在于，包括以下步骤：
①激光泵浦源(1)产生泵浦激光，焦距相同的第一凸透镜(2)和第二凸透镜(3)调节一定角度后将泵浦光束准直到由第一平凹镜(4)上；调节第一平凹镜(4)、激光增益介质(6)、第二平凹镜(8)的角度使得谐振腔内的泵浦方式为共线泵浦，调节第一圆孔光阑(5)和第二圆孔光阑(7)的大小使得泵浦方式为共线泵浦；聚焦到激光增益介质(6)上的泵浦光束被增益介质吸收产生粒子数反转；调节第三平凹镜(9)、第四平凹镜(10)和锁模元件(11)的位置使激光发生谐振，产生基阶模式2μm超快激光；
②激光在谐振腔内产生谐振对脉冲有放大效果，经过第三平凹镜(9)和第四平凹镜(10)反射激光入射到锁模元件(11)上；通过调节锁模元件(11)和第四平凹镜(10)之间的距离发生可饱和吸收效应，产生2μm的超短锁模基阶脉冲输出；
③通过调节输出耦合镜(12)和谐振腔内激光的偏离角度，左右角度调节范围在1-3°，上下角度调节范围在1-2°内产生2μm超快涡旋光束；通过调节第一圆孔光阑(5)和第二圆孔光阑(7)的大小提高涡旋激光信噪比；利用透射率为2％或者5％的输出耦合镜(12)改变输出涡旋光束的光强；通过调节第四平凹镜(10)和锁模元件(11)之间的距离，可以在不改变腔内共线泵浦状态的情况下控制腔内的横模模式，输出指定横模模式的超快激光；
④通过加入手性选择元件(10)，改变倾斜角实现手性选择和波长调谐，通过改变位置对腔内色散进行控制、调节非线性；
⑤通过CCD相机、干涉仪对输出激光的光斑强度分布、干涉图样进行检测；用示波器、自相关仪检测时域特性，用光谱仪检测频域特性；用频谱分析仪测量脉冲重频和信噪比，优化腔内参数，可直接产生中红外波段的超快涡旋激光。
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