CN114284849B - 基于变焦空心光泵浦可调涡旋位相正交圆筒柱矢量激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于变焦空心光泵浦可调涡旋位相正交圆筒柱矢量激光器，该激光器依次包括中心位于同一光路上的：泵浦源、平凸透镜、正电极、电光晶体轴锥、负电极、轴锥透镜、增益介质和轴锥输出镜；平凸透镜、正电极、电光晶体轴锥、负电极和轴锥透镜构成变焦泵浦系统；轴锥透镜和轴锥输出镜构成激光器的谐振腔；增益介质的晶体光轴方向沿系统光轴方向切割，通过汇聚焦环泵浦并结合所述增益介质的双折射效应产生正交圆筒柱矢量激光输出。本发明能够使激光输出光束具有双通道，并且每个通道均具有双重激光模式，其中激光束所携带的涡旋位相的拓扑电荷数可调。
Description
技术领域
本发明涉及激光器领域，特别是涉及一种基于变焦空心光泵浦可调涡旋位相正交圆筒柱矢量激光器。
背景技术
激光器输出光束的矢量特性在光学检测、光通讯以及激光加工等领域已经得到了广泛的应用，这些工作多限于空间均匀偏振光束，如线偏振光束、椭圆偏振光束和圆偏振光束等。然而，非均匀偏振光束在很多领域都有重要应用，例如，在相同的条件下进行激光切割，非均匀偏振光比均匀偏振光具有更高能量的吸收效率，可以提高2-4倍的加工效率。再如，非均匀偏振光场比均匀偏振光场有更强的轴向场分量，在高数值孔径聚焦时会产生很强的梯度力，同时这个轴向场分量对沿光轴的坡印廷矢量没有贡献，它不产生轴向散射力和吸收力，由于梯度力和散射空间的分离，可以稳定的捕获微粒。随着激光技术应用的深入，人们逐渐认识到了对激光相位调控的突出作用，例如，涡旋相位光束具有螺旋形结构的波前相位，每个光子都携带轨道角动量，且光束中心存在相位无法确定的位相奇点，使得光强呈环状分布。涡旋光束的这些独特性质在激光光学、原子光学、生物技术等众多领域有重要的应用价值。光的偏振分布对应自旋角动量，涡旋相位对应轨道角动量。因此，双重模式光束就拥有了独特的自旋角动量和轨道角动量耦合特性，以及双重模式所构成的不可分离叠加态对应了双比特量子纠缠态，在光与物质相互作用和经典量子耦合系统基础物理效应等领域的研究具有重要价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于变焦空心光泵浦可调涡旋位相正交圆筒柱矢量激光器，使激光输出光束具有双通道，并且每个通道均具有双重激光模式，其中激光束所携带的涡旋位相的拓扑电荷数可调。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于变焦空心光泵浦可调涡旋位相正交圆筒柱矢量激光器，所述激光器依次包括中心位于同一光路上的：泵浦源1、平凸透镜2、正电极3、电光晶体轴锥4、负电极5、轴锥透镜6、增益介质7和轴锥输出镜8；
其中，所述平凸透镜2、正电极3、电光晶体轴锥4、负电极5和轴锥透镜6构成变焦泵浦系统；
所述轴锥透镜6和轴锥输出镜8构成激光器的谐振腔；
所述增益介质7的晶体光轴方向沿系统光轴方向切割，通过汇聚焦环泵浦并结合所述增益介质7的双折射效应产生正交圆筒柱矢量激光输出。
可选的，通过调节所述正电极3和负电极5两端的电压控制泵浦光束的焦环半径来激发光束相应拓扑电荷数的激光振荡。
可选的，所述激光器输出光束的涡旋位相的拓扑电荷数可调节。
可选的，当满足方程/>时，激光在所述轴锥透镜6和轴锥输出镜8之间形成闭环行波腔，其中，/>为激光通过轴锥透镜6聚焦所形成的会聚角，n2为轴锥透镜6或轴锥输出镜8的折射率，β为轴锥输出镜8的负锥角，γ为轴锥输出镜8的正锥角。
可选的，所述泵浦源1为半导体激光阵列。
可选的，所述增益介质7为单轴晶体。
可选的，所述正电极3和负电极5采用透明的ITO材料。
可选的，所述电光晶体轴锥4由KDP晶体制成，其锥角ω＝120°。
可选的，所述轴锥透镜6和轴锥输出镜8均由K9玻璃制成；所述轴锥透镜6的锥角α＝90°；所述轴锥输出镜8的负锥角为120°，其母线面镀1064nm增透膜；所述轴锥输出镜8的正锥角为53.7°，其母线面镀1064nm高反射膜。
可选的，所述增益介质7由Nd:YAG晶体制成，钕离子的掺杂浓度为1.0％，尺寸为10mm×3mm，通光面镀808nm和1064nm增透膜。
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：
本发明提出的基于变焦空心光泵浦可调涡旋位相正交圆筒柱矢量激光器不仅实现了双重模式激光，而且具有双通道，即同时具有携带涡旋位相正交的圆筒柱矢量激光。
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为本发明基于变焦空心光泵浦可调涡旋位相正交圆筒柱矢量激光器的结构示意图；
图2为本发明o光集合偏振态，圆筒形切向柱矢量分布图；
图3为本发明e光集合偏振态，圆筒形径向柱矢量分布图；
符号说明：
1-泵浦源、2-平凸透镜、3-正电极、4-电光晶体轴锥、5-负电极、6-轴锥透镜、7-增益介质、8-轴锥输出镜。
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。
本发明的目的是提供一种基于变焦空心光泵浦可调涡旋位相正交圆筒柱矢量激光器，使激光输出光束具有双通道，并且每个通道均具有双重激光模式，其中激光束所携带的涡旋位相的拓扑电荷数可调。
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。
图1为本发明提供的激光器结构图，如图1所示，一种基于变焦空心光泵浦可调涡旋位相正交圆筒柱矢量激光器，从左至右依次设置包括泵浦源1、平凸透镜2、正电极3、电光晶体轴锥4、负电极5、轴锥透镜6、增益介质7、轴锥输出镜8。
其中，激光器的泵浦源1为光纤耦合输出的半导体激光阵列。
平凸透镜2、正电极3、电光晶体轴锥4、负电极5和轴锥透镜6构成变焦泵浦系统，轴锥透镜6同时又作为输入镜。
泵浦源1发出的光束经平凸透镜2准直，光束通过电光晶体轴锥4后形成为扩束角为θ的两束光束，当两光束经过轴锥透镜6的焦平面上聚焦成一个焦环。设透明正电极3和负电极5之间的距离为d，两电极之间的电压为U，则电光晶体轴锥的折射率n1为
式(1)no为o光主轴折射率，γ63为有效电光系数，由式(1)可以看出，当改变电压U时，电光晶体的折射率会发生改变，从而导致扩束角θ发生改变，进而可以改变泵浦光束焦环的尺寸，因此通过控制电光晶体轴锥4两端的电压可以调节泵浦光在增益介质7中的焦环大小。由于对给定泵浦光焦环半径和环宽可以激发相应拓扑电荷数涡旋激光振荡，所以可以通过改变光焦环半径和环宽就可以产生不同拓扑电荷数的涡旋激光。
设激光通过轴锥透镜6聚焦所形成的会聚角为当会聚角/>满足方程(2)时，激光形成闭环行波腔振荡。
式(2)中的n2为轴锥透镜6或轴锥输出镜8的折射率，β为轴锥输出镜8的负锥角，γ为轴锥输出镜8的正锥角。
设增益介质7选择为单轴晶体，激光束与增益介质7的光轴夹角为ψ，由晶体的双折射效应会产生两束光，即o光和e光，对于o光可由折射定律计算出激光束与晶体光轴夹角ψ：
由于轴锥具有轴对称性，从轴锥输出镜8输出o光束的集合如图2所示，即沿系统轴线旋转一周(对整个2π方向上看)o光集合的偏振态便构成为圆筒形切向柱矢量分布。
对于e光与o光的走离角ρ可由式(4)求出：
式(4)中ne为e光主轴折射率，no为o光主轴折射率。由于轴锥具有轴对称性，从轴锥输出镜8输出e光束的组合如图3所示，即沿系统轴线旋转一周(对整个2π方向上看)e光集合的偏振态便构成为圆筒形径向柱矢量分布，从而输出光束的偏振态为切向和径向正交圆筒柱矢量分布。
本发明具体可采用以下单元器件实现基于变焦空心光泵浦可调涡旋位相正交圆筒柱矢量激光器：
泵浦源1采用输出波长为808nm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500mm，通光面镀808nm增透膜。
正电极3和负电极5采用透明的ITO(IndiumTinOxides)材料，正电极3和负电极5之间的距离d＝50mm，通光面镀808nm增透膜。
电光晶体轴锥4由KDP晶体制成，其锥角ω＝120°。
808nm光纤耦合半导体激光阵列发出的光束经平凸透镜2准直，光束通过电光晶体轴锥4后形成为扩束角为30°的两光束。
轴锥透镜6由K9玻璃制成，其锥角α＝90°，焦距f＝200mm，母线面镀808nm增透膜和1064nm高反射膜，凸面镀808nm和1064nm增透膜，扩束角为30°的两光束经过轴锥透镜6的焦平面上聚焦成一个半径为4mm的焦环。
当调节正电极3和负电极5两端的电压从0-5kV时，焦环的半径由4-0.1mm变化，从而涡旋光束的位相可连续调节；增益介质7为Nd:YAG晶体制成，钕离子的掺杂浓度为1.0％，尺寸为10mm×3mm，通光面镀808nm和1064nm增透膜。
轴锥输出镜8由K9玻璃制成，负锥角为120°，其母线面镀1064nm增透膜，正锥角53.7°，其母线面镀1064nm高反射膜，经轴锥输出镜8所输出的光束为准直光束，并由式(4)可得到径向和切向柱矢量的半径分别5.5mm和6.7mm。
本发明还公开了如下技术效果：
本发明提出的基于变焦空心光泵浦可调涡旋位相正交圆筒柱矢量激光器不仅实现了双重模式激光，而且具有双通道，即同时具有携带涡旋位相正交的圆筒柱矢量激光；此外，径向偏振和切向偏振两个正交的圆筒形柱矢量所携带的涡旋位相均可调，因此，本发明所实现的新型光束将开启和拓宽激光的应用领域，例如，可以同时捕获两种不同状态的粒子、实现稳定性高和大容量的光通信等。
本发明获得了可调涡旋位相的正交圆筒柱矢量激光输出，这种新型矢量激光在光通信、超分辨成像、光学捕获、光学信息处理和微观粒子光学等操纵领域具有重要的应用前景。
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 (9)
1.一种基于变焦空心光泵浦可调涡旋位相正交圆筒柱矢量激光器，其特征在于，所述激光器依次包括中心位于同一光路上的：泵浦源(1)、平凸透镜(2)、正电极(3)、电光晶体轴锥(4)、负电极(5)、轴锥透镜(6)、增益介质(7)和轴锥输出镜(8)；
其中，所述平凸透镜(2)、正电极(3)、电光晶体轴锥(4)、负电极(5)和轴锥透镜(6)构成变焦泵浦系统；
所述轴锥透镜(6)和轴锥输出镜(8)构成激光器的谐振腔；
当激光通过所述轴锥透镜(6)聚焦所形成的会聚角满足方程/>时，激光在所述轴锥透镜(6)和轴锥输出镜(8)之间形成闭环行波腔，其中，/>为激光通过轴锥透镜(6)聚焦所形成的会聚角，n2为轴锥透镜(6)或轴锥输出镜(8)的折射率，β为轴锥输出镜(8)的负锥角，γ为轴锥输出镜(8)的正锥角；
所述增益介质(7)的晶体光轴方向沿系统光轴方向切割，通过汇聚焦环泵浦并结合所述增益介质(7)的双折射效应产生正交圆筒柱矢量激光输出。
2.根据权利要求1所述的基于变焦空心光泵浦可调涡旋位相正交圆筒柱矢量激光器，其特征在于，通过调节所述正电极(3)和负电极(5)两端的电压控制泵浦光束的焦环半径来激发光束相应拓扑电荷数的激光振荡。
3.根据权利要求1所述的基于变焦空心光泵浦可调涡旋位相正交圆筒柱矢量激光器，其特征在于，所述激光器输出光束的涡旋位相的拓扑电荷数可调节。
4.根据权利要求1所述的基于变焦空心光泵浦可调涡旋位相正交圆筒柱矢量激光器，其特征在于，所述泵浦源(1)为半导体激光阵列。
5.根据权利要求1所述的基于变焦空心光泵浦可调涡旋位相正交圆筒柱矢量激光器，其特征在于，所述增益介质(7)为单轴晶体。
6.根据权利要求1所述的基于变焦空心光泵浦可调涡旋位相正交圆筒柱矢量激光器，其特征在于，所述正电极(3)和负电极(5)采用透明的ITO材料。
7.根据权利要求1所述的基于变焦空心光泵浦可调涡旋位相正交圆筒柱矢量激光器，其特征在于，所述电光晶体轴锥(4)由KDP晶体制成，其锥角ω＝120°。
8.根据权利要求1所述的基于变焦空心光泵浦可调涡旋位相正交圆筒柱矢量激光器，其特征在于，所述轴锥透镜(6)和轴锥输出镜(8)均由K9玻璃制成；所述轴锥透镜(6)的锥角α＝90°；所述轴锥输出镜(8)的负锥角为120°，其母线面镀1064nm增透膜；所述轴锥输出镜(8)的正锥角为53.7°，其母线面镀1064nm高反射膜。
9.根据权利要求1所述的基于变焦空心光泵浦可调涡旋位相正交圆筒柱矢量激光器，其特征在于，所述增益介质(7)由Nd:YAG晶体制成，钕离子的掺杂浓度为1.0％，尺寸为10mm×3mm，通光面镀808nm和1064nm增透膜。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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