[发明专利]一种基于激光介质中心零增益结构的涡旋激光器

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；