一种高纯度轨道角动量可调谐的单晶光纤涡旋激光器

摘要

一种高纯度轨道角动量可调谐的单晶光纤涡旋激光器，沿光路传播方向依次包括LD激光器、光学耦合系统、输入镜、单晶光纤、旋转输出镜以及旋转轮轴，其中，以新型固体材料单晶光纤为增益介质，没有谐振腔内泵浦光与激光模式匹配的限制，旋转输出镜为平面镜，且由多个相等扇形区域构成，每个扇形区域内都设有不同内外半径的环孔，旋转输出镜固定在旋转轮轴上，扭动旋转轮轴可转动旋转输出镜以选择不同大小的输出环孔。本发明通过设计旋转输出镜上环孔结构，能够得到高纯度任意高阶LG模式的涡旋激光输出，并实现轨道角动量的可调谐。

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光器，具体是一种高纯度轨道角动量可调谐的单晶光纤涡旋激光器，尤其适用于高纯度且轨道角动量可调谐的涡旋激光输出，属于激光技术领域。

背景技术

与常见的高斯光束相比，涡旋光在传输过程中不仅有自旋角动量(SAM)，且每个光子因绕轴转动而携带大小为lh的轨道角动量(OAM)，由于涡旋光特殊的物理结构和性质，已经在非线性光学、光通信、量子信息处理以及微粒操纵技术等多个领域广泛应用。例如在量子通信领域，量子系统中涡旋光一个正交偏振态就代表一个比特信息，轨道角动量正交的本征态可实现TB量级信息传输，同时拓扑荷数l能用整数或分数表示，极大的提高了信息传递的安全性，在将来有着技术变革的巨大潜力。

目前，现有技术能够实现涡旋光轨道角动量可调谐的常见方法有两大类，一类是腔外利用特殊光学元件间接实现转换，比如螺旋相位板、空间光调制器以及计算机全息等，此类方法对轨道角动量的可调谐有极大的局限性，比较受限于元件本身材料的特性，且纯度较依赖于转换器件的制造工艺，转换效率低，在LG

发明内容

针对上述现有技术的缺陷或不足，本发明提供一种高纯度轨道角动量可调谐的单晶光纤涡旋激光器，结构简单，制备难度降低，能够实现任意高阶LG模式的涡旋激光输出，得到高纯度的LG模式涡旋激光并实现轨道角动量的可调谐。

为了实现上述目的，本发明提供一种高纯度轨道角动量可调谐的单晶光纤涡旋激光器，沿光路传播方向依次包括LD激光器、光学耦合系统、输入镜、单晶光纤、旋转输出镜以及旋转轮轴，光学耦合系统包括由短焦透镜和长焦透镜组成的开普勒望远镜系统，LD激光器发射的泵浦光经过光学耦合系统实现对泵浦光的束腰和扩束，泵浦光经过输入镜进入单晶光纤内部，由输入镜、单晶光纤以及旋转输出镜构成谐振腔，且输入镜、单晶光纤以及旋转输出镜上的环孔中心点在同一水平轴上；旋转输出镜为平面镜，且由多个相等扇形区域构成，每个扇形区域内都设有不同内外半径的环孔，每个环孔都镀以对激光部分的反射膜，反射率为80％-99％，扇形区域除环孔外镀以对激光有吸收的介质膜；旋转输出镜固定在旋转轮轴上，扭动旋转轮轴来转动旋转输出镜以选择不同大小的输出环孔，旋转间隔角度为360°/n，其中n为旋转输出镜上不同环孔大小的扇形区域的个数。

本发明的LD激光器为半导体激光二极管，其泵浦方式为端面泵浦，LD激光器输出波长对应于增益介质单晶光纤的吸收波长。

本发明的泵浦光以导波形式传输，增益介质采用新型固体材料单晶光纤，激光采用自由振荡形式传输，泵浦光与激光之间没有模式匹配的限制。

本发明的输入镜为凹面透镜，在输入镜的泵浦光输入面镀以对泵浦光的高透膜，透过率≥95％，在输入镜的另一侧镀以对激光的高反射膜，反射率≥99.5％。

利用在旋转输出镜位置处的基膜光斑尺寸，以基膜光斑尺寸与高阶LG模式光斑尺寸关系得到旋转输出镜位置处高阶LG模式光斑大小。

为抑制基膜涡旋光产生，以确定旋转输出镜上环孔最佳内外半径比值，实现旋转输出镜上不同LG模式的内外环孔大小设计，得到高纯度的不同阶数LG模式涡旋光输出。

与现有技术相比，本发明沿光路传播方向依次包括LD激光器、光学耦合系统、输入镜、单晶光纤、旋转输出镜以及旋转轮轴，输入镜、单晶光纤以及旋转输出镜上的环孔中心点在同一水平轴上，LD激光器的泵浦方式为端面泵浦，采用端面泵浦能够使结构设计灵活紧凑，易得到较好的光束质量，LD激光器发射泵浦源输出波长对应于增益介质单晶光纤的吸收波长，本发明以固体材料单晶光纤为增益介质，不用考虑谐振腔内模式匹配问题，而且不受泵浦波长的影响，可实现高功率的涡旋激光输出；本发明的旋转输出镜为平面镜，且由多个相等扇形区域构成，每个扇形区域内都设有不同内外半径的环孔，每个环孔都镀以对激光部分的反射膜，反射率为80％-99％，扇形区域除环孔外镀以对激光有吸收的介质膜，经理论计算和模拟分析，可有效选择在基模高斯光束的前提下得到高阶LG模式光斑尺寸的环孔大小，每经过一个扇形区域中环孔中心位置得到一种高纯度的高阶LG模式涡旋激光输出，同时能够高效抑制其他LG模式振荡；本发明将转输出镜固定在旋转轮轴上，通过巧妙设计旋转输出镜的结构，扭动旋转轮轴转动旋转输出镜上不同内外大小的环孔来实现涡旋激光轨道角动量的可调谐输出；本发明能够实现任意高阶LG模式的涡旋激光输出，得到高纯度的LG模式涡旋激光并实现轨道角动量的可调谐，且整个系统结构紧凑，可实现集成化。

附图说明

图1是本发明的结构图；

图2是本发明实施例中旋转输出镜的结构图；

图3是本发明实施例中旋转输出镜的环孔内外半径图；

图4是本发明实施例中基模TEM

图5是本发明实施例中不同阶数的LG模式光强分布图。

图中：1、LD激光器，2、短焦透镜，3、全反镜Ⅰ，4、全反镜Ⅱ，5、长焦透镜，6、输入镜，7、单晶光纤，8、旋转输出镜，9、旋转轮轴，10、光学耦合系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种高纯度轨道角动量可调谐的单晶光纤涡旋激光器，沿光路传播方向依次包括LD激光器1、光学耦合系统10、输入镜6、单晶光纤7、旋转输出镜8以及旋转轮轴9，输入镜6、单晶光纤7以及旋转输出镜8上的环孔中心点在同一水平轴上，LD激光器1为半导体激光二极管，其泵浦方式为端面泵浦，泵浦源输出波长对应于增益介质单晶光纤7的吸收波长；光学耦合系统10包括由短焦透镜2和长焦透镜5组成的开普勒望远镜系统，在短焦透镜2和长焦透镜5上分别镀以对泵浦光高透的介质膜，根据短焦透镜2和长焦透镜5焦距比值大小可对泵浦光斑实现缩束和扩束的倍数，对泵浦光光束束腰进行调整，输入镜6为凹面透镜，在输入镜6的泵浦光输入面镀以对泵浦光的高透膜，透过率≥95％，在输入镜6的另一侧镀以对激光的高反射膜，反射率≥99.5％；旋转输出镜8为平面镜，且由多个相等扇形区域构成，每个扇形区域内都设有不同内外半径的环孔，每个环孔都镀以对激光部分的反射膜，反射率为80％-99％，扇形区域除环孔外镀以对激光有吸收的介质膜，旋转输出镜8固定在旋转轮轴9上，扭动旋转轮轴9以转动旋转输出镜8以选择不同大小的输出环孔。

扇形区域的孔径尺寸为不同高阶模式的LG光束的光斑尺寸，根据在旋转输出镜8位置处的基模光斑尺寸经理论计算和模拟分析可得到孔径值大小，旋转输出镜8固定安装在一个旋转轮轴9上面，选择需要输出的LG模式，可扭动旋转轮轴9以实现转动旋转输出镜8至不同环孔大小的中心，实现轨道角动量的可调谐，得到高纯度的LG激光输出，可实现涡旋激光轨道角动量的可谐调，转动时扇形区域内的环孔中心在相同水平高度的位置。

旋转输出镜8上扇形区域内不同环孔的设计方法，步骤如下：

第一步：确定使用新型固体材料单晶光纤作为增益介质，根据单晶光纤7的吸收波长选择对应的泵浦光源，谐振腔由输入镜6、单晶光纤7和旋转输出镜8组成，选定谐振腔为凹平腔镜，调整旋转输出镜8或谐振腔的腔长直至激光稳定输出，计算此时旋转输出镜8位置处的基膜光斑尺寸，计算公式如下：

式中：w(Z)

w

λ为激光的中心波长；

Z

第二步：根据谐振腔内激光基膜光斑与高阶LG模式下的光斑尺寸大小的关系，

w(z)

式中：w(z)

p为径向指数；

l为拓扑阶数；

根据公式(2)计算旋转输出镜8对应位置处不同阶数的LG模式光斑尺寸，得到旋转输出镜8上不同阶数的外环孔尺寸，对不同大小的环孔在旋转输出镜8上进行区域划分；

第三步：根据泵浦光的导播传输和激光的自由振荡传输方式，为抑制基膜光斑和其他高阶模式光斑的产生，选定最佳的环孔内外半径的比值，计算出旋转输出镜8上不同LG模式下的内外半径大小，得到旋转输出镜8的整个结构设计，最后对每个扇形区域内除环孔外的区域镀以对激光有吸收的介质膜。

本发明的增益介质为新型固体材料单晶光纤，其具有较高热导率，常见于高性能固体激光器，在单晶光纤7中泵浦光采用导波传输，激光采用自由振荡传输，且没有泵浦光与激光模式匹配的限制，不仅可以增加泵浦光与激光两者的重叠体积，且能够对泵浦光高效吸收，实现激光的高增益输出。

所述输入镜优选为凹面透镜，在靠近泵浦光入射面上镀以对泵浦高透的介质膜，优选透过率≥95％，在凹面输入镜另一侧镀以对激光高反射的介质膜，优选反射率≥99.5％。

图2为旋转输出镜8的结构图，旋转输出镜8优选为平面镜，由五个面积相等的扇形区域组成，每个扇形区域内都有不同半径大小的环孔，靠近单晶光纤7一侧的环孔透镜区域镀以对激光部分反射的介质膜，反射率为80％-99％，其孔径尺寸为不同高阶模式的LG光束的光斑尺寸，根据在旋转输出镜8位置处的基模光斑经理论计算和模拟分析可得到孔径值大小，旋转输出镜8固定安装在一个旋转轮轴9上面，选择需要输出的LG模式，可扭动旋转轮轴以实现转动旋转输出镜至不同环孔大小的中心，实现轨道角动量的可调谐，得到高纯度的LG激光输出。

实施例一

一种轨道角动量可调谐的Ho:YAG单晶光纤涡旋激光器

LD激光器1是以中心波长为793nm的半导体激光器作为泵浦源，泵浦方式为端面泵浦，经耦合尾纤输出，芯径为200um，NA＝0.22，利用Tm:YAG作为增益介质实现振荡得到1907nm的激光输出，掺铥光纤激光器具有较好的光束质量和较窄的线宽，可得到高功率和能量大的激光输出。

光学耦合系统10由两个不同焦距的透镜组成，即短焦透镜2和长焦透镜5，靠近LD激光器1的短焦透镜2的焦距为25mm，靠近输入镜6的长焦透镜5的焦距为200mm，光学耦合系统10将泵浦光斑尺寸扩束8倍，全反镜Ⅰ3、全反镜Ⅱ4对泵浦光1.9um波段全反，短焦透镜2和长焦透镜5都镀以对1850-1950nm波段的泵浦光高透的介质膜，LD激光器1发射的激光经过光学耦合系统10准直平行后聚焦在单晶光纤7内部靠前端的位置处，在焦点位置泵浦光斑半径尺寸为85um，LD激光器1输出中心波长1907nm为Ho:YAG单晶光纤材料的吸收波长。

单晶光纤7采用Ho:YAG的掺钬钇铝石榴石作为激光增益介质，掺杂浓度为0.6at.％，长度为20mm，直径约920um，单晶光纤7外面镀以铟箔，放置在水冷散热装置中，冷却温度设定为12℃，同时需使得单晶光纤水平方向偏离光轴约3°，防止反射对泵浦光源产生影响。

在满足稳定谐振腔的条件下，输入镜6为凹面镜，输入镜6的曲率半径为100mm，在泵浦光入射面一侧镀以对1850-1950nm波段泵浦光的高透膜，透过率≥95％，在输入镜6靠近单晶光纤7的一侧镀以对2050-2250nm波段激光高反射的介质膜，优选反射率≥99.5％，旋转输出镜8为平面镜,其每个扇形区域内的环孔靠近单晶光纤7的一侧均镀以对2050-2250nm波段部分反射介质膜，优选反射率80％-99％，输出透过率为5％，输出激光中心波长为2122nm。

整个旋转输出镜8的直径为80mm，厚度为3mm，分为五个面积相等的扇形区域，且每个区域内各有尺寸大小不同的环孔，旋转输出镜8上环孔以外的区域能够对2050-2250um波段的激光有吸收，旋转输出镜8使用三个大小相同的工艺小孔固定在旋转轮轴9上，工艺小孔的直径为4mm，厚度为3mm，可扭动旋转轮轴9以转动旋转输出镜8至每个环孔中心位置，旋转输出镜9与旋转轮轴8接触面积圆轴的直径为36mm。

对于拉盖尔-高斯不同高阶模式，可用

首先对于高斯光束即在基模TEM

可得到此时旋转输出镜位置处的基模TEM

w(z)

其中：w(z)

根据上式可得到在旋转输出镜8位置处对应任意高阶LG模式下的光斑尺寸大小表示为：

设定标准涡旋光光斑的内环半径为a，外环半径为b，如图3中所示，

其中a值大小定义为涡旋光中心暗点到内侧径向强度分布的半高宽度(FWHM)，b值大小定义为涡旋光中心暗点到外侧径向强度分布最大值的1/e

为确保谐振腔内单晶光纤7中能实现LG模式激光振荡，需计算出不同阶数LG模式下旋转输出镜8上环孔的有效面积，设定ε＝b/w

在基模TEM

泵浦功率阈值主要取决于空间重叠因子和谐振腔内损耗等参数，在相同条件下，这里只考虑有效重叠面积对LG模式和基模TEM

在b＝w(z)

前面得到的旋转输出镜8位置上的基模高斯光斑半径w

如图5所示，依次为LG