一种具有多波长输出的角动量可调谐全固态激光器

摘要

本发明涉及一种具有多波长输出的角动量可调谐全固态激光器。由泵浦源，光学耦合系统，输入镜，固体激光介质、输出镜和柱面镜模式变换透镜组依光路方向顺序排列而成，输入镜镀以对泵浦光高透、对振荡光高反射的介质膜，输出镜镀以对振荡光部分反射的介质膜。输出激光为具有多波长的激光，其光子具有相同的轨道角动量，且该角动量具有可调谐的特性。本发明的激光器具有成本低、体积小、制作简单、调整灵活、不同能量光子同时输出以及角动量可调谐等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有多波长输出的角动量可调谐全固态激光器，属于激光技术领域。

背景技术

随着科技的发展，激光的应用越来越广泛，可以说激光已经并且正在改变着我们的生 产和生活，提升了和正在提升着我们的国民经济。在激光的众多领域中，具有角动量的激 光成为近几年研究的重点，因其光子具有角动量，在光通讯、冷原子囚禁、动态光存储、 量子计算以及光捏等光学领域特别是量子光学领域有着重要的需求和应用。多波长激光由 于具有同时输出多种光子的优点，且可以用于太赫兹的产生，具有着单波长激光所不具有 的优势，也是一直以来激光发展的重要方向。单波长激光只具有单一能量光子，经过模式 转换技术所产生的具有角动量的激光也只具有单一能量光子。只能通过不同波长激光组合 实现。

正是针对目前对具有多波长输出且具有角动量的全固态激光器的重要需求和现状，我 们提供一种具有多波长输出的角动量可调谐全固态激光器。该类激光器具有结构简单、操 作简便、不同能量光子角动量同步可调谐以及可进行产业化等优势，为激光器家族添加了 一类新的成员。

CN102684061A（2012.5山大）涉及一种稳定脉冲能量的全固态角动量可调谐激光器。 包括泵浦源，光学耦合系统，谐振腔，固体激光介质、可饱和吸收体，泵浦源为半导体激 光二极管，固体激光介质为掺杂型激光材料Nd:YAG或Nd:YVO4，可饱和吸收体为Cr:YAG 或GaAs晶体，所述谐振腔由输入镜和输出镜组成，或由固体激光介质入射面的镀膜与可 饱和吸收体出射面的镀膜组成。该发明的激光器输出激光为具有固定能量的脉冲激光且具 有光学角动量，通过改变泵浦光的功率,可实现角动量的连续变化。该发明的激光器可用于 光通讯、冷原子囚禁、动态光存储、量子计算等方面。该可调谐激光器成本低、体积小、 调整灵活、能量稳定、峰值功率高、角动量可调谐。该发明虽然角动量可调，但不可实现 多波长同时输出。

发明内容

针对目前对具有多波长角动量的激光器的重要需求和现状，本发明提供一种结构紧凑、 操作简单、具有多波长输出的角动量可调谐全固态激光器。

本发明的技术方案是采用以下方式来实现的。

一种具有多波长输出的角动量可调谐全固态激光器，由泵浦源（1）、光学耦合系统（2）、 输入镜（3）、固体激光介质（4）、输出镜（5）和柱面镜模式变换透镜组（6）依光路方向 顺序排列而成，输入镜（3）镀以对泵浦光高透、对振荡光高反射的介质膜，输出镜（5） 镀以对振荡光部分反射的介质膜。

根据本发明，所述的泵浦源为半导体激光二极管（LD），其输出波长为针对固体激光 材料的吸收波长；进一步优选的泵浦源输出波长为808nm的InGaAs的半导体激光二极管， 泵浦方式是端面泵浦。

根据本发明优选的，所述的输入镜（3）镀以对泵浦光高透、对振荡光高反射的介质膜 是在输入镜泵浦端表面镀以对泵浦波光透过率≥90%的介质膜，另一端表面镀以对振荡光 反射率≥99%的介质膜。

根据本发明，所述的输出镜（5）镀以对振荡光部分反射的介质膜是指在输出镜靠近激 光介质的一端表面镀以对振荡光透过率为2~20%的介质膜。

根据本发明，所述的输出镜（5）俯仰角度可调，以输出镜垂直轴向为基准角度可调范 围在-5°至+5°。以改变谐振腔菲涅尔数，进一步实现不同阶模式的激光输出。

根据本发明，所述的固体激光介质（4）为可产生多波长激光输出的激光材料，选自 Nd:Lu₂O₃和Nd:Y₃Ga₅O₁₂晶体或陶瓷，Nd掺杂浓度为0.05-at.％~20-at.％，固体激光介质长 度为0.5mm~50mm。固体激光介质入射面和/或出射面可镀以对振荡光以及泵浦光高透过的 介质膜，也可以不镀膜。

所述的柱面镜模式变换透镜组（6）为一对焦距f相同的柱面镜，两柱面镜距离为f， 通过该透镜组对光束的变换作用，厄米高斯HG_0n模式可转换为拉盖尔高斯LG_0n模式。

所述柱面镜焦距f为1~500mm，优选为30~50mm，进一步优选为50mm；柱面镜通光 端面可镀以对振荡光高透过的介质膜，也可以不镀膜；优选的，所述柱面镜通光端面镀以 对振荡光透过率≥90%的介质膜。

根据本发明，所述的输入镜（3）是平面镜或凹面镜，或者是固体激光介质（4）入射 面镀以对泵浦波光透过率≥90%、对振荡光反射率≥99%的介质膜。所述输出镜（5）平面 镜或凹面镜。

当上述角动量可调谐激光器的输入镜（3）是在固体激光介质（4）的入射面上镀以对 泵浦波光透过率≥90%、对振荡光反射率≥99%的介质膜时，该介质膜即取代平面镜或凹面 镜起到相同的作用；此时，固体激光介质出射面上镀以对振荡光高透过的介质膜，也可不 镀膜。

本发明利用一个输入镜、一块固体激光介质、一个输出镜和一个柱面镜模式变换透镜 组即可获得多波长激光输出且不同波长光子所携带轨道角动量相同并连续可调。本发明通 过调整输出镜俯仰角度或泵浦光光斑大小，改变谐振腔的菲涅尔数以产生不同阶次的厄米 高斯HG_0n模式。

本发明得到的不同波长光子具有相同的角动量，而且光子的轨道角动量随着谐振腔菲 涅尔数的改变而连续可调谐。所以在光通讯、冷原子囚禁、动态光存储、量子计算以及光 捏等量子光学方面具有重要的应用前景。

本发明的多波长输出的角动量可调谐全固态激光器具有以下优势：

1.结构紧凑。单一激光材料具有多波长输出，比单波长多台激光器组合产生多波长所 需空间小。

2.操作简单。本发明的只需通过调节输出镜角度改变谐振腔菲涅尔数便可同时改变不 同能量光子所携带的角动量，具有操作简单的特点。

3.应用广。本发明的多波长输出的角动量可调谐全固态激光器，具有不同能量光子携 带相同的角动量且角动量连续可调谐的特点，这就意味着在太赫兹，光通讯、非线性频率 转换、动态光存储、量子计算、冷原子囚禁以及光捏等方面具有广泛的应用。

附图说明

图1为本发明实施例1的双波长输出的角动量可调谐全固态激光器结构示意图。其中： 1是泵浦源，2是光学耦合系统，3是输入镜，镀有对泵浦光高透、振荡光高反的介质膜， 4是固体激光介质，其表面镀以对泵浦光和振荡光高透过的介质膜，5为输出镜，镀有振荡 光部分反射的介质膜，6为柱面镜模式变换透镜组。

图2为本发明实施例2的结构示意图。其中输入镜（3）是平面镜。

图3为本发明实施例3的结构示意图。其中输入镜（3）省略，代之以固体激光介质（4） （Nd:Lu₂O₃）入射面上镀以对泵浦波光透过率≥90%、对振荡光反射率≥99%的介质膜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：双波长输出的角动量可调谐全固态激光器

结构如图1所示，由泵浦源（1）、光学耦合系统（2）、输入镜（3）、固体激光介质（4）、 输出镜（5）和柱面镜模式变换透镜组（6）顺序排列而成，其中，固体激光介质（4）是 Nd:Lu₂O₃晶体，它的两个通光端面上镀以对泵浦光和振荡光1077nm、1088nm光透过率≥ 99%的增透膜；输入镜（3）泵浦端镀以对泵浦光808nm透过率≥90%的介质膜、靠近激光 介质的另一端镀以对1077nm和1080nm反射率≥99%的介质膜；输出镜（5）靠近激光介 质的一端表面镀以对1077nm和1080nm透过率为20%的部分反射介质膜；柱面镜模式变换 透镜组（6）两柱面镜的焦距均为50mm，其四个通光端面上未镀膜。

所述的泵浦源（1）是输出波长为808nm的InGaAs的半导体激光二极管，其泵浦方式 是端面泵浦。

所述的输入镜（3）是曲率为200mm的凹面镜，输出镜（5）是平面镜。

所述的固体激光介质（4）Nd:Lu₂O₃晶体的钕掺杂浓度为0.5-at.％，晶体通光长度为 0.6mm。

所述的柱面镜模式变换透镜组（6）中的两柱面镜的间距为70.7mm。

调节泵浦源（1）输出功率，加大泵浦功率，实现高阶HG_0,n模式激光输出的同时，通 过柱面镜模式变换透镜组（6）获得具有角动量固定、输出波长为1077和1080nm激光输 出。通过调整输出镜（5）俯仰角度-5°至+5°，可以改变谐振腔菲涅尔数，进一步实现不同 阶模式的激光输出。

本发明的1077nm、1080nm双波长输出的角动量可调谐全固态激光器，具有不同能量 光子携带相同的角动量且角动量连续可调谐的特点，这就意味着在太赫兹，光通讯、非线 性频率转换、动态光存储、量子计算、冷原子囚禁以及光捏等方面具有广泛的应用

实施例2：三波长输出的角动量可调谐全固态激光器

结构如图2所示，与实施例1中不同的是固体激光介质（4）以Nd:Y₃Ga₅O₁₂晶体代替， 它的两个通光端面上镀以对泵浦光和1060nm附近波长光透过率≥99%的增透膜；其输入镜 （3）换成了平镜，输入镜（3）泵浦端镀以对泵浦光透过率≥90%的介质膜、、靠近激光介 质的另一端镀以对1060nm附近反射率≥99%的介质膜；输出镜（5）靠近激光介质的一端 表面镀以对1060nm附近透过率为20%的部分反射介质膜。

所述的泵浦源（1）是输出波长为808nm的InGaAs的半导体激光二极管，泵浦方式是 端面泵浦。

所述的输入镜（3）是平面镜，输出镜（6）是平面镜。

所述的固体激光介质（4）Nd:Y₃Ga₅O₁₂晶体的钕掺杂浓度为1-at.％，晶体通光长度为 0.6mm。

所述的柱面镜模式变换透镜组（6），两镜焦距均为50mm，间距为70.7mm，表面镀以 对1060nm高透过的介质膜（透过率≥90%）。

本实施例输出的激光为1062.1nm，1060.3nm，1058.9nm三波长输出的角动量可调谐全 固态激光器。

调节泵浦源（1）输出功率，加大泵浦功率，实现高阶HG_0,n模式激光输出的同时，通 过柱面镜模式变换透镜组（6）获得具有角动量固定、输出波长为1062.1nm，1060.3nm， 1058.9nm三波长激光输出。通过调整输出镜（5）俯仰角-5°至+5°，以改变谐振腔菲涅尔数， 进一步实现不同阶模式的激光输出。

实施例3：双波长输出的角动量可调谐全固态激光器

如实施例1所述，所不同的是：省掉输入镜（3），固体激光介质（4）是Nd:Lu₂O₃晶 体，在固体激光介质（4）的入射面上镀以对泵浦光808nm透过率≥90%、对振荡光1077nm 和1080nm光反射率≥99%的介质膜，用以取代输入镜（3）的作用；另一端不镀膜。结构 如图3所示。