[發(fā)明專利]一種基于激光介質(zhì)中心零增益結(jié)構(gòu)的渦旋激光器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510596176.2
• 申請日: 2015-09-17
• 公開（公告）號: CN105071206B
• 公開（公告）日: 2018-04-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙永光;沈德元;劉琦瑤;周偉;陳浩
• 申請（專利權(quán)）人: 江蘇師范大學(xué)
• 主分類號: H01S3/094
• 分類號: H01S3/094;H01S3/10;H01S3/16;H01S3/08
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司32200
• 代理人: 唐惠芬

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種渦旋激光器，尤其適用于激光技術(shù)領(lǐng)域的基于激光介質(zhì)中心零增益結(jié)構(gòu)的渦旋激光器

背景技術(shù)

渦旋光是一種具有螺旋相位波前、軸向零光強分布、攜帶軌道角動量等特殊性質(zhì)的光束。近年來，由于渦旋光束在微小粒子的捕獲與囚禁、常規(guī)通訊以及量子通訊等方面的特殊應(yīng)用，其產(chǎn)生與傳輸特性的研究愈加重要。自1974年J.F.Ney發(fā)現(xiàn)光渦旋以來，科研人員對如何產(chǎn)生光渦旋進行了大量的實驗研究。根據(jù)渦旋激光在產(chǎn)生技術(shù)上的差異，可以將目前的渦旋激光器分為兩類：第一類是基于腔外相位光學(xué)元件進行模式轉(zhuǎn)換的渦旋激光器，其結(jié)構(gòu)主要是由一臺成熟的激光器和用于模式轉(zhuǎn)化的腔外相位光學(xué)元件組成，其中常見的相位元件包括：螺旋相位板、全息相位板、空間光調(diào)制器等。該類激光器往往受限于相位光學(xué)元件本身的材料特性，較難實現(xiàn)與激光諧振腔的一體化設(shè)計、轉(zhuǎn)換效率低、只能對單一波長進行轉(zhuǎn)換且高能量激光容易對轉(zhuǎn)換元件造成損壞；另一類則是基于對激光橫模選擇的直接振蕩產(chǎn)生渦旋光的渦旋激光器。主要分為三種：第一種是在普通的激光諧振器內(nèi)插入相位光學(xué)元件(相位光柵、空間光調(diào)制器等)來實現(xiàn)渦旋光直接振蕩產(chǎn)生，這類激光器的插入損耗較大且同樣受限于相位元件的材料特性，很難實現(xiàn)高功率、高效率運轉(zhuǎn)。第二種則是將泵浦光的光斑調(diào)制成環(huán)形，通過泵浦光和振蕩激光的模式匹配實現(xiàn)渦旋激光直接振蕩輸出，而對泵浦光的調(diào)制過程必然導(dǎo)致整個激光系統(tǒng)的復(fù)雜性。第三種在結(jié)構(gòu)上相對簡單，是利用點缺陷鏡作為普通激光振蕩器的輸入鏡或者輸出鏡而強制渦旋光起振，但同樣伴隨著腔內(nèi)損耗大、激光閾值高、難實現(xiàn)高功率運轉(zhuǎn)等缺點。

發(fā)明內(nèi)容

針對目前渦旋光產(chǎn)生技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種無需插入附加相位光學(xué)元件，無需對泵浦光斑整形，無需點缺陷鏡，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便、易于集成，易于產(chǎn)業(yè)化的基于激光介質(zhì)中心零增益結(jié)構(gòu)的渦旋激光器

為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的基于激光介質(zhì)中心零增益結(jié)構(gòu)的渦旋激光器，包括泵浦源，泵浦源順序連接有光學(xué)耦合系統(tǒng)、輸入鏡、零增益中心的激光介質(zhì)，零增益中心的激光介質(zhì)前端設(shè)置有輸出鏡，所述光學(xué)耦合系統(tǒng)包括兩個構(gòu)成開普勒望遠鏡系統(tǒng)的透鏡，所述兩個透鏡對泵浦光斑進行縮束或擴束，所述激光介質(zhì)為中心開有通孔的圓柱狀結(jié)構(gòu)陶瓷或晶體，通孔區(qū)域為零增益圓形區(qū)域，激光介質(zhì)除通孔外為激光粒子摻雜環(huán)形區(qū)域。

所述激光介質(zhì)的激光粒子摻雜環(huán)形區(qū)域為稀土離子Nd³⁺、Yb³⁺、Er³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺、Pr³⁺、Dy³⁺中的一種，或者是過渡金屬離子Ti³⁺、Cr²⁺、Cr⁴⁺、Fe²⁺中的一種；所述激光介質(zhì)的零增益中心半徑a小于泵浦光斑的外徑b，所獲得的渦旋激光的拓撲數(shù)是由零增益中心半徑a、泵浦光斑的外徑b、腔內(nèi)基橫模束腰半徑w₀三者決定：即當(dāng)滿足0.45＜a/w₀＜0.65，0.8＜(b-a)/w₀＜1.2時，可輸出拓撲數(shù)為l＝1的LG模式渦旋激光；當(dāng)滿足0.65＜a/w₀＜0.85，0.8＜(b-a)/w₀＜1.2時，可輸出拓撲數(shù)為l＝2的LG模式渦旋激光，上述范圍為預(yù)設(shè)值；

所述泵浦源包括半導(dǎo)體激光二極管LD、光纖激光器以及固體激光器，其輸出波長對應(yīng)激光介質(zhì)材料的吸收波長，泵浦方式是端面泵浦；5所述輸入鏡是平面鏡或者凹面鏡，在泵浦光入射面鍍以對泵浦光高透的介質(zhì)膜，透過率≥90％，優(yōu)選≥95％；并同時在輸入鏡另外一側(cè)鍍以對輸出激光波長反射率≥99％的介質(zhì)膜；所述輸出鏡是平面鏡或者凹面鏡，鍍以對振蕩激光部分反射的介質(zhì)膜，反射率為50％-99％，優(yōu)選反射率為80％-95％。輸入鏡和輸出鏡構(gòu)成激光諧振，前面叫光學(xué)耦合器。

有益效果：

1.整個激光器系統(tǒng)不用添加任何附加的元件，不會引入額外的插入損耗，不用特殊設(shè)計復(fù)雜的光路，也不用對泵浦光斑進行整形變換，利用常規(guī)的泵浦光源和簡單的兩鏡腔便可實現(xiàn)渦旋激光輸出；

2.僅需調(diào)節(jié)泵浦源發(fā)射的光源與激光介質(zhì)之間的位置構(gòu)成同心圓，通過改變泵浦光斑大小、腔長或者輸出鏡的曲率就可以靈活輸出不同拓撲數(shù)的LG模式渦旋激光，渦旋激光在腔內(nèi)直接振蕩產(chǎn)生，無能量浪費，具有高的激光效率；