[發明專利]一種基于激光介質中心零增益結構的渦旋激光器

有效

• 申請號: 201510596176.2
• 申請日: 2015-09-17
• 公開（公告）號: CN105071206B
• 公開（公告）日: 2018-04-13
• 發明（設計）人: 趙永光;沈德元;劉琦瑤;周偉;陳浩
• 申請（專利權）人: 江蘇師范大學
• 主分類號: H01S3/094
• 分類號: H01S3/094;H01S3/10;H01S3/16;H01S3/08
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司32200
• 代理人: 唐惠芬

技術領域

本發明涉及一種渦旋激光器，尤其適用于激光技術領域的基于激光介質中心零增益結構的渦旋激光器

背景技術

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、常規通訊以及量子通訊等方面的特殊應用，其產生與傳輸特性的研究愈加重要。自1974年J.F.Ney發現光渦旋以來，科研人員對如何產生光渦旋進行了大量的實驗研究。根據渦旋激光在產生技術上的差異，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元件進行模式轉換的渦旋激光器，其結構主要是由一臺成熟的激光器和用于模式轉化的腔外相位光學元件組成，其中常見的相位元件包括：螺旋相位板、全息相位板、空間光調制器等。該類激光器往往受限于相位光學元件本身的材料特性，較難實現與激光諧振腔的一體化設計、轉換效率低、只能對單一波長進行轉換且高能量激光容易對轉換元件造成損壞；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插入相位光學元件(相位光柵、空間光調制器等)來實現渦旋光直接振蕩產生，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，很難實現高功率、高效率運轉。第二種則是將泵浦光的光斑調制成環形，通過泵浦光和振蕩激光的模式匹配實現渦旋激光直接振蕩輸出，而對泵浦光的調制過程必然導致整個激光系統的復雜性。第三種在結構上相對簡單，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，但同樣伴隨著腔內損耗大、激光閾值高、難實現高功率運轉等缺點。

發明內容

針對目前渦旋光產生技術的不足，本發明提供了一種無需插入附加相位光學元件，無需對泵浦光斑整形，無需點缺陷鏡，結構簡單，操作方便、易于集成，易于產業化的基于激光介質中心零增益結構的渦旋激光器

為實現上述技術目的，本發明的基于激光介質中心零增益結構的渦旋激光器，包括泵浦源，泵浦源順序連接有光學耦合系統、輸入鏡、零增益中心的激光介質，零增益中心的激光介質前端設置有輸出鏡，所述光學耦合系統包括兩個構成開普勒望遠鏡系統的透鏡，所述兩個透鏡對泵浦光斑進行縮束或擴束，所述激光介質為中心開有通孔的圓柱狀結構陶瓷或晶體，通孔區域為零增益圓形區域，激光介質除通孔外為激光粒子摻雜環形區域。

所述激光介質的激光粒子摻雜環形區域為稀土離子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是由零增益中心半徑a、泵浦光斑的外徑b、腔內基橫模束腰半徑w₀三者決定：即當滿足0.45＜a/w₀＜0.65，0.8＜(b-a)/w₀＜1.2時，可輸出拓撲數為l＝1的LG模式渦旋激光；當滿足0.65＜a/w₀＜0.85，0.8＜(b-a)/w₀＜1.2時，可輸出拓撲數為l＝2的LG模式渦旋激光，上述范圍為預設值；

所述泵浦源包括半導體激光二極管LD、光纖激光器以及固體激光器，其輸出波長對應激光介質材料的吸收波長，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膜，透過率≥90％，優選≥95％；并同時在輸入鏡另外一側鍍以對輸出激光波長反射率≥99％的介質膜；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膜，反射率為50％-99％，優選反射率為80％-95％。輸入鏡和輸出鏡構成激光諧振，前面叫光學耦合器。

有益效果：

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

2.僅需調節泵浦源發射的光源與激光介質之間的位置構成同心圓，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的LG模式渦旋激光，渦旋激光在腔內直接振蕩產生，無能量浪費，具有高的激光效率；