一种基于激光介质中心零增益结构的涡旋激光器

摘要

一种基于激光介质中心零增益结构的涡旋激光器。应用于光捏、光学扳手以及光通讯领域。它包括泵浦源、光学耦合系统、输入镜、零增益中心激光介质和输出镜顺序排列组成，零增益中心激光介质为中心打孔、激活离子环形掺杂或者中心区域零激活离子掺杂的陶瓷或晶体，其利用激光介质的零增益中心结构，抑制腔内基横模振荡，通过模式匹配实现纯的高阶拉盖尔高斯（LG0,l？(l≥1)）光束输出。本发明无需其他光学元件，无需对泵浦光斑整形，具有激光效率高、适用范围广、操作简便、便于集成等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种涡旋激光器，尤其适用于激光技术领域的基于激光介质中心 零增益结构的涡旋激光器

背景技术

涡旋光是一种具有螺旋相位波前、轴向零光强分布、携带轨道角动量等特殊 性质的光束。近年来，由于涡旋光束在微小粒子的捕获与囚禁、常规通讯以及量 子通讯等方面的特殊应用，其产生与传输特性的研究愈加重要。自1974年J.F. Ney发现光涡旋以来，科研人员对如何产生光涡旋进行了大量的实验研究。根据 涡旋激光在产生技术上的差异，可以将目前的涡旋激光器分为两类：第一类是基 于腔外相位光学元件进行模式转换的涡旋激光器，其结构主要是由一台成熟的激 光器和用于模式转化的腔外相位光学元件组成，其中常见的相位元件包括：螺旋 相位板、全息相位板、空间光调制器等。该类激光器往往受限于相位光学元件本 身的材料特性，较难实现与激光谐振腔的一体化设计、转换效率低、只能对单一 波长进行转换且高能量激光容易对转换元件造成损坏；另一类则是基于对激光横 模选择的直接振荡产生涡旋光的涡旋激光器。主要分为三种：第一种是在普通的 激光谐振器内插入相位光学元件(相位光栅、空间光调制器等)来实现涡旋光直 接振荡产生，这类激光器的插入损耗较大且同样受限于相位元件的材料特性，很 难实现高功率、高效率运转。第二种则是将泵浦光的光斑调制成环形，通过泵浦 光和振荡激光的模式匹配实现涡旋激光直接振荡输出，而对泵浦光的调制过程必 然导致整个激光系统的复杂性。第三种在结构上相对简单，是利用点缺陷镜作为 普通激光振荡器的输入镜或者输出镜而强制涡旋光起振，但同样伴随着腔内损耗 大、激光阈值高、难实现高功率运转等缺点。

发明内容

针对目前涡旋光产生技术的不足，本发明提供了一种无需插入附加相位光学 元件，无需对泵浦光斑整形，无需点缺陷镜，结构简单，操作方便、易于集成， 易于产业化的基于激光介质中心零增益结构的涡旋激光器

为实现上述技术目的，本发明的基于激光介质中心零增益结构的涡旋激光 器，包括泵浦源，泵浦源顺序连接有光学耦合系统、输入镜、零增益中心的激光 介质，零增益中心的激光介质前端设置有输出镜，所述光学耦合系统包括两个构 成开普勒望远镜系统的透镜，所述两个透镜对泵浦光斑进行缩束或扩束，所述激 光介质为中心开有通孔的圆柱状结构陶瓷或晶体，通孔区域为零增益圆形区域， 激光介质除通孔外为激光粒子掺杂环形区域。

所述激光介质的激光粒子掺杂环形区域为稀土离子Nd³⁺、Yb³⁺、Er³⁺、Tm³⁺、 Ho³⁺、Pr³⁺、Dy³⁺中的一种，或者是过渡金属离子Ti³⁺、Cr²⁺、Cr⁴⁺、Fe²⁺中的一 种；所述激光介质的零增益中心半径a小于泵浦光斑的外径b，所获得的涡旋激 光的拓扑数是由零增益中心半径a、泵浦光斑的外径b、腔内基横模束腰半径w₀三者决定：即当满足0.45＜a/w₀＜0.65，0.8＜(b-a)/w₀＜1.2时，可输出拓扑数为l＝1 的LG模式涡旋激光；当满足0.65＜a/w₀＜0.85，0.8＜(b-a)/w₀＜1.2时，可输出拓扑 数为l＝2的LG模式涡旋激光，上述范围为预设值；

所述泵浦源包括半导体激光二极管LD、光纤激光器以及固体激光器，其输 出波长对应激光介质材料的吸收波长，泵浦方式是端面泵浦；5所述输入镜是平 面镜或者凹面镜，在泵浦光入射面镀以对泵浦光高透的介质膜，透过率≥90％， 优选≥95％；并同时在输入镜另外一侧镀以对输出激光波长反射率≥99％的介质 膜；所述输出镜是平面镜或者凹面镜，镀以对振荡激光部分反射的介质膜，反射 率为50％-99％，优选反射率为80％-95％。输入镜和输出镜构成激光谐振，前面叫 光学耦合器。

有益效果：

1.整个激光器系统不用添加任何附加的元件，不会引入额外的插入损耗， 不用特殊设计复杂的光路，也不用对泵浦光斑进行整形变换，利用常规的泵浦光 源和简单的两镜腔便可实现涡旋激光输出；

2.仅需调节泵浦源发射的光源与激光介质之间的位置构成同心圆，通过改 变泵浦光斑大小、腔长或者输出镜的曲率就可以灵活输出不同拓扑数的LG模式 涡旋激光，涡旋激光在腔内直接振荡产生，无能量浪费，具有高的激光效率；

3.产生的涡旋激光可以应用于光捏、光学扳手、常规通信以及量子通信， 本发明的核心是中心零增益结构的激光介质，适用于各种激活离子掺杂的晶体或 陶瓷，只需选择合适的激活离子和激光腔镜就可以获得想要波段的涡旋激光，适 用范围广。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2a为本发明中零增益中心结构的激光介质示意图。

图2b为本发明中零增益中心结构的激光介质截面图。

图3为本发明中LG₀₁和LG₀₂模式涡旋激光的泵浦阈值与相邻模式阈值之比 的数值模拟曲线图。

图4a为本发明的LG₀₁模式的横向光强分布数值模拟图。

图4b为本发明的LG₀₂模式的横向光强分布数值模拟图。

图中：1-泵浦源，2-光学耦合系统，3-输入镜，4-激光介质，5-输出镜，6- 激光粒子掺杂环形区域，7-零增益圆形区域。

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：

如图1、图2a和图2b所示，本发明的基于激光介质中心零增益结构的涡旋 激光器，包括泵浦源1，泵浦源1顺序连接有光学耦合系统2、输入镜3、零增 益中心的激光介质4，所述泵浦源1包括半导体激光二极管LD、光纤激光器以 及固体激光器，其输出波长对应激光介质材料的吸收波长，所述输入镜3是平面 镜或者凹面镜，在泵浦光入射面镀以对泵浦光高透的介质膜，透过率≥90％，优 选≥95％；并同时在输入镜3另外一侧镀以对输出激光波长反射率≥99％的介质膜， 泵浦方式是端面泵浦，所述激光介质4的激光粒子掺杂环形区域6为稀土离子 Nd³⁺、Yb³⁺、Er³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺、Pr³⁺、Dy³⁺中的一种，或者是过渡金属离子Ti³⁺、 Cr²⁺、Cr⁴⁺、Fe²⁺中的一种，零增益中心的激光介质4前端设置有输出镜5，所述 光学耦合系统2包括两个构成开普勒望远镜系统的透镜，所述两个透镜对泵浦光 斑进行缩束或扩束，所述激光介质4为中心开有通孔的圆柱状结构陶瓷或晶体， 通孔区域为零增益圆形区域7，激光介质4除通孔外为激光粒子掺杂环形区域6， 所述输出镜5是平面镜或者凹面镜，镀以对振荡激光部分反射的介质膜，反射率 为50％-99％，优选反射率为80％-95％，输入镜3和输出镜5构成激光谐振，前面 叫光学耦合器。

所述激光介质4的零增益中心半径a小于泵浦光斑的外径b，所获得的涡旋 激光的拓扑数是由零增益中心半径a、泵浦光斑的外径b、腔内基横模束腰半径 w₀三者决定：即当满足0.45＜a/w₀＜0.65，0.8＜(b-a)/w₀＜1.2时，可输出拓扑数为l＝1 的LG模式涡旋激光；当满足0.65＜a/w₀＜0.85，0.8＜(b-a)/w₀＜1.2时，可输出拓扑 数为l＝2的LG模式涡旋激光，上述范围为预设值。

实施案例1：一种基于零增益中心结构Er：YAG陶瓷的～1.6μm涡旋激光器

其中，固体激光介质4是零增益中心结构的1at.％掺杂的Er：YAG陶瓷，它 的两个通光端面上镀以对泵浦光和振荡光1500nm-1700nm波段光透过率≥99％的 增透膜；输入镜3靠近泵浦端镀以对泵浦光1532nm透过率≥99％的介质膜，靠 近激光介质的另一端镀以对1500-1700nm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1600-1700nm透过率为10％的部分反射介质膜。

所述的零增益中心结构激光介质4是掺杂浓度为1at.％的Er：YAG透明陶瓷， 陶瓷的吸收长度为15mm。零增益中心结构是通过在棒状Er：YAG陶瓷中心打孔 实现的，小孔直径设计为0.5mm。其结构如图2a和图2b所示，6是激光粒子掺 杂环形区域，7是零增益圆形区域。

所述的泵浦源1是输出波长为1532nm的半导体激光二极管LD，耦合尾纤 输出，其泵浦方式是端面泵浦。

所述的光学耦合系统2是对1532nm泵浦光增透的透镜组，可以达到对泵浦 光束腰缩束扩束的作用。

所述的输入镜3是直径一英寸的平面镜。

所述的输出镜5是直径一英寸的凹面镜，曲率为500mm。

如图3所示，不同泵浦光斑条件下输出不同拓扑数涡旋激光的理论模拟图。 调节腔长，使得腔内基膜束腰半径为～350μm情况下，a/w₀＝0.72，对应图3曲线 可知，TEM₀₀阈值一直大于LG₀₁模式，因此基模得到抑制。当(b-a)/w₀＜0.85时， LG₀₁阈值小于LG₀₂阈值，LG₀₁优先振荡；当(b-a)/w₀＞0.85时，LG₀₂阈值小于LG₀₁阈值，LG₀₂优先振荡。该实施例设计泵浦光半径为～400μm，此时 (b-a)/w₀＝0.428＜0.85，LG₀₁模式优先振荡，通过理论计算可得其阈值约为5.8W， 其相邻模式TEM₀₀的理论阈值为8.5W，LG₀₂的理论阈值为6.4W，因此可优先 振荡输出拓扑电荷数为1的涡旋激光，其横向光强分布数值模拟图如图4a；而 当增加泵浦光斑半径达到～500μm时，此时(b-a)/w₀＝1＞0.85，LG₀₂模式的理论阈 值为8.3W，而TEM₀₀理论阈值为14W，LG₀₁理论阈值为8.8W，因此LG02模式 激光优先振荡，输出拓扑电荷数为2的涡旋激光，其横向光强分布数值模拟图如 图4b。

具体模拟过程如下：

被吸收的环形泵浦光的归一化泵浦速率密度可以近似表示为：

其中α_p为吸收系数，a为小孔半径，b为泵浦光斑半径，η_abs是吸收效率。腔内涡旋激 光LG振荡的光子分布方程：

$s(r,z)=\frac{2}{n!{\mathrm{\pi \omega }}^2\left(z\right)l_c}{\left(\frac{2r^2}{{\omega }^2\left(z\right)}\right)}^n\exp (-\frac{2r^2}{{\omega }^2\left(z\right)})$

其中，n表示产生涡旋激光的阶数，ω(z)是腔内基横模的半径，r是横向尺寸变量。 那么可以计算泵浦光和腔内激光的模式重叠因子：

然后将模式重叠因子代入各阶横模的泵浦阈值计算公式当中去：

$P_{th}=\frac{{\mathrm{hv}}_{p}A}{2{\mathrm{\sigma \tau }}_f{\eta }_q{\eta }_{abs}{\eta }_0}(L+T+2\sigma N1l_r)$

其中，h为普朗克常数，v_p为泵浦光频率，A＝π(b²-a²)为泵浦区域截面，l_c是谐振腔 腔长，l_r是晶体长度，σ是发射截面，τ_f是荧光寿命，η_q是量子效率，L是谐振腔 往返一周的损耗，T是输出镜的透过率，N₁为下能级粒子数密度。将具体的参 数代入方程计算，就可以获得不同阶数n的拉盖尔-高斯激光的泵浦阈值。通过 对Er：YAG激光系统的数值模拟，可以得到相邻横模的阈值之比随着环形泵浦区 域厚度的变化曲线，激光介质上小孔半径与腔内振荡基模腰斑半径之比也对结果 产生影响。

实施案例2：一种基于零增益中心结构Tm：YAG晶体的～2μm涡旋激光器

所述的泵浦源1是输出波长为785nm的半导体激光二极管LD，固体激光介 质4是零增益中心结构的3.3at.％掺杂的Tm：YAG晶体，输入镜3靠近泵浦端镀 以对泵浦光700-900nm透过率≥99％的介质膜，靠近激光介质的另一端镀以对 1900-2100nm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 1900-2100nm透过率为10％的部分反射介质膜。

所述的零增益中心结构激光介质4是掺杂浓度为3.3at.％的Tm：YAG透明晶 体，晶体的吸收长度为10mm。零增益中心结构是通过在棒状Tm：YAG晶体中心 打孔实现的，小孔直径设计为0.5mm。输出镜5是直径一英寸的凹面镜，曲率为 500mm。其结构如图2所示。

本实施案例仍满足图3中情况：不同泵浦光斑条件下输出不同拓扑数涡旋激 光的理论模拟图。调节腔长，使得腔内基膜束腰半径为～350μm情况下，a/ w₀＝0.72，对应图3曲线可知，TEM₀₀阈值一直大于LG₀₁模式，因此基模得到抑 制。当(b-a)/w₀＜0.85时，LG₀₁阈值小于LG₀₂阈值，LG₀₁优先振荡；当(b-a)/w₀＞0.85 时，LG₀₂阈值小于LG₀₁阈值，LG₀₂优先振荡。该实施例设计泵浦光半径为～400μm， 此时(b-a)/w₀＝0.428＜0.85，LG₀₁模式优先振荡，通过理论计算可得其阈值约为 5.8W，其相邻模式TEM₀₀的理论阈值为8.5W，LG₀₂的理论阈值为6.4W，因此 可优先振荡输出拓扑电荷数为1的涡旋激光，其横向光强分布数值模拟图如图 4a；而当增加泵浦光斑半径达到～500μm时，此时(b-a)/w₀＝1＞0.85，LG₀₂模式的 理论阈值为8.3W，而TEM₀₀理论阈值为14W，LG₀₁理论阈值为8.8W，因此LG₀₂模式激光优先振荡，输出拓扑电荷数为2的涡旋激光，其横向光强分布数值模拟 图如图4b。