腔内直接产生阶数可调涡旋光束的方法 |
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| 申请号 | CN201710791667.1 | 申请日 | 2017-09-05 | 公开(公告)号 | CN107526176A | 公开(公告)日 | 2017-12-29 |
| 申请人 | 上海交通大学; | 发明人 | 谢国强; 乔桢; 钱列加; 袁鹏; 吴雨航; | ||||
| 摘要 | 一种腔内直接产生阶数可调涡旋光束的方法，该方法的核心是在 激光器 的激光输出端面 刻蚀 出圆形微孔，将圆形微孔调节至激光光束中心，在激光光束中心形成圆形的空间损耗调制，使得具有特定阶数的涡旋光束直接在腔内振荡并输出。通过利用具有不同直径的圆形微孔以及调 节圆 形微孔与光束中心的相对 位置 可以实现涡旋光束阶数在大范围内连续可调，调节范围可达数十阶甚至上百阶。该方法产生的涡旋光束具有纯净度高、传输稳定的特点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种腔内直接产生阶数可调涡旋光束的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤： |
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| 说明书全文 | 腔内直接产生阶数可调涡旋光束的方法技术领域[0001] 本发明属于激光技术领域，特别是一种腔内直接产生阶数可调涡旋光束的方法。 背景技术[0002] 涡旋光束具有螺旋形的波前相位，围绕中心一周其波前相位改变2π的l倍，光束中每个光子携带 的轨道角动量，其中l为非零整数，称为涡旋光束的拓扑荷数(阶数)。中心相位的不确定性，导致其中心存在强度奇点，光强分布呈环形。上述特征使得涡旋光束在量子通讯、光学微操控、超分辨率成像以及天体观测等方面具有广泛的应用。 [0003] 目前产生涡旋光束的方法通常为在腔外对基模高斯光束进行调制，如螺旋相位板、计算全息光栅、液晶光调制器等。受限于加工的精度，这些方法无法得到理想的涡旋光束，其具有传输不稳定性，随传输会产生奇点分裂的现象，这对上述应用极其不利。除上述方法之外，还可以利用柱透镜模式转换器将特定阶数的厄米高斯光束转换为拉盖尔高斯光束(涡旋光束)，但这种方法首先需要一个可产生理想厄米高斯光束的激光器。 [0004] LG0l模式的拉盖尔高斯光束是拓扑荷数(阶数)为l的涡旋光束，是柱对称激光谐振腔的本征解，因此腔内可以直接产生理想的涡旋光束。目前在腔内直接产生涡旋光束的方法主要为环形光束泵浦法，然而该方法对泵浦光光强分布的要求较为严格，对涡旋光束阶数的可调能力较弱，就目前报道来看，最高只得到了l＝3的涡旋光束。 发明内容[0005] 本发明提供一种新型的腔内直接产生阶数可调涡旋光束的方法，该方法通过在激光器的激光输出端面刻蚀出圆形微孔，并将圆形微孔调节至激光光束中心，使其在激光光束中心形成圆形的空间损耗调制，直接选择出涡旋光束在腔内振荡并输出，所产生的涡旋光束纯净度高，传输稳定；利用有不同直径的圆形微孔或微调圆形微孔与光束中心的相对位置可以实现涡旋光束阶数在大范围内连续可调，阶数调节范围可达到数十阶甚至上百阶，大大提高了阶数可调的能力。 [0006] 本发明的技术解决方案如下： [0007] 一种腔内直接产生阶数可调涡旋光束的方法，其特点在于，该方法包括如下步骤： [0008] 1)搭建一个激光器，该激光器的激光输出端面刻有一系列不同直径的圆形微孔，调节激光器使其输出激光； [0009] 2)在激光输出方向设置CCD照相机，监测输出激光的光斑图样，调节所述的端面的横向位置，使所述的激光输出端面上的某一圆形微孔向激光光束中心移动，直到所述的CCD照相机中显示出环形的光斑图样，则产生的激光光束为具有特定阶数LG0l模式的涡旋光束，其中l为非零整数，称为涡旋光束的阶数； [0010] 3)微调圆形微孔的横向位置或者切换具有不同直径的圆形微孔与激光光束重合，进行涡旋光束阶数的调节，在切换不同圆形微孔时，若在CCD照相机中无法看到环形的光斑图样，则需调节激光器内增益介质沿激光传输方向的位置，直到CCD照相机中再次显示出环形的光斑图样； [0011] 4)将柱透镜模式转换器的输入面置于所述的CCD照相机的接收面，将LG0l模式的涡旋光束转换为HG0l模式的厄米高斯光束，以判断所述的涡旋光束阶数，若是所需的涡旋光束阶数，则结束，否则返回步骤3)。 [0012] 所述的激光器包括泵浦源，沿该泵浦源的泵浦光输出方向依次是第一凸透镜、第二凸透镜、凹面镜、增益晶体和输出耦合镜，从泵浦源出射的泵浦光经过第一凸透镜和第二凸透镜进入所述的增益晶体；所述的凹面镜与输出耦合镜组成谐振腔，所述的增益晶体位于凹面镜与输出耦合镜之间；所述的刻有圆形微孔的激光器端面为输出耦合镜。 [0013] 所述的输出耦合镜的一系列不同直径的圆形微孔是利用脉冲激光在镜片表面刻蚀形成的。 [0014] 所述的涡旋光束阶数的判断方法是将厄米高斯光束的光斑图样的光瓣数减1即为相应的LG0l模式的涡旋光束的阶数。 [0015] 所述的柱透镜模式转换器依次由圆透镜、第一柱透镜和第二柱透镜组成，两个柱透镜完全相同，第一柱透镜和第二柱透镜之间的距离为 f为柱透镜的焦距，进行模式转换时，需利用圆透镜将涡旋光束聚焦到两柱透镜之间的中心位置。 [0016] 阶数可调的基本原理是：随着涡旋光束阶数的增加，涡旋光束空心区域的面积也随之增加，因此通过利用具有更大直径的圆形微孔，可增大空间损耗调制的面积，从而选择出更高阶数的涡旋光束在腔内振荡并输出，反之，利用具有更小直径的圆形微孔，可选择出更低阶的涡旋光束振荡并输出，这种方式便于大范围调节涡旋光束的阶数；微调圆形微孔的位置使其偏离光束中心，并向光强较强的环形区域靠近，低阶涡旋光束的损耗会超过更高阶涡旋光束的损耗，竞争的结果使得腔内选择出更高阶的涡旋光束振荡并输出，反之，将圆形微孔靠近光束中心，可以选择较低阶的涡旋光束振荡并输出。如果圆形微孔的位置大幅度偏离光束中心，光束会失去环形分布，此时光束不再是涡旋光束，因此该方式只能在小范围内实现涡旋光束阶数的连续可调。附图说明 [0017] 图1是本发明腔内直接产生涡旋光束的激光器实施例的结构示意图。其中：1.泵浦源；2.第一凸透镜；3.第二凸透镜；4.凹面镜；5.增益晶体；6.输出耦合镜；7.输出的涡旋光束的光斑图样示意图；8.输出耦合镜表面的圆形微孔示意图。 [0018] 图2是本发明实施例的输出耦合镜示意图。其中：a.输出耦合镜实物图；b.输出耦合镜表面所刻蚀的不同直径圆形微孔的显微图，9.直径为30微米的圆形微孔；10.直径为50微米的圆形微孔；11.直径为100微米的圆形微孔；12.直径为150微米的圆形微孔；13.直径为200微米的圆形微孔；14.直径为300微米的圆形微孔；15.直径为400微米的圆形微孔。 [0019] 图3是本发明实施例所产生的阶数为l＝1-20的涡旋光束光斑图样(由CCD照相机显示)。其中l＝1的涡旋光束是利用直径为30微米的圆形微孔产生；l＝2的涡旋光束是利用直径为50微米的圆形微孔产生；l＝3、4的涡旋光束是利用直径为100微米的圆形微孔产生；l＝5、6、7的涡旋光束是利用直径为150微米的圆形微孔产生；l＝8、9、10、11、12、13的涡旋光束是利用直径为200微米的圆形微孔产生；l＝14、15的涡旋光束是利用直径为300微米的圆形微孔产生；l＝16、17、18、19、20的涡旋光束是利用直径为400微米的圆形微孔产生。 [0020] 图4是阶数分别为l＝33、40、50、64、74、85、94、108的涡旋光束光斑图样。其中l＝33、40、50的涡旋光束是利用直径为600微米的圆形微孔产生；l＝64、74、85的涡旋光束是利用直径为800微米的圆形微孔产生；l＝94、108的涡旋光束是利用直径为1000微米的圆形微孔产生。 [0021] 图5是用于判断涡旋光束阶数的柱透镜模式转换器示意图。其中：16.圆透镜；17.第一柱透镜；18.第二柱透镜；19.LG02模式的涡旋光束光斑图样；20；HG02模式的厄米高斯光束光斑图样。 具体实施方式[0022] 下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。 [0023] 本发明腔内直接产生阶数可调涡旋光束的方法，该方法包括如下步骤： [0024] 1)搭建一个激光器，该激光器的激光输出端面刻有一系列不同直径的圆形微孔，调节激光器使其输出激光； [0025] 2)在激光输出方向设置CCD照相机，监测输出激光的光斑图样，调节所述的端面的横向位置，使所述的激光输出端面上的某一圆形微孔向激光光束中心移动，直到所述的CCD照相机中显示出环形的光斑图样，则产生的激光光束为具有特定阶数LG0l模式的涡旋光束，其中l为非零整数，称为涡旋光束的阶数； [0026] 3)微调圆形微孔的横向位置或者切换具有不同直径的圆形微孔与激光光束重合，进行涡旋光束阶数的调节，在切换不同圆形微孔时，若在CCD照相机中无法看到环形的光斑图样，则需调节激光器内增益介质沿激光传输方向的位置，直到CCD照相机中再次显示出环形的光斑图样； [0027] 4)将柱透镜模式转换器的输入面置于所述的CCD照相机的接收面，将LG0l模式的涡旋光束转换为HG0l模式的厄米高斯光束，以判断所述的涡旋光束阶数，若是所需的涡旋光束阶数，则结束，否则返回步骤3)。 [0028] 下面是一个实施例： [0029] 搭建如图1所示的激光器实施例，该激光器包括泵浦源1，沿该泵浦源1的泵浦光输出方向依次是第一凸透镜2、第二凸透镜3、凹面镜4、增益晶体5和表面刻有圆形微孔的输出耦合镜6(激光器的激光输出端面)。其中泵浦源1为激光二极管，发射波长为808nm，通过第一凸透镜2和第二凸透镜3准直聚焦到增益晶体5内部，增益晶体5为掺钕的钒酸钇晶体(Nd:YVO4)，晶体前后表面镀有1064nm波长和808nm波长的增透膜，谐振腔由凹面镜4和表面刻有圆形微孔的输出耦合镜6组成，所述的凹面镜4的曲率半径为100毫米，表面镀有1064nm波长的高反膜，输出耦合镜表面6刻有直径分别为30微米、50微米、100微米、150微米、200微米、 300微米以及400微米的圆形微孔(显微图如图2b)，圆形微孔是利用1064nm波长的纳秒脉冲激光器在输出耦合镜6表面某圆形区域刻蚀形成，镜片表面的介质膜对1064nm波长的透射率为2％，凹面镜4与输出耦合镜6的距离(即腔长)为6厘米。 [0030] 调节输出耦合镜6的横向(垂直于激光传播方向)位置使圆形微孔远离激光光束反射的位置，调节激光器使其输出激光，在输出耦合镜6后面放置CCD照相机，监测激光光斑图样，调节激光器使其输出基模高斯光束，此时CCD中呈现的光斑图样为圆斑。 [0031] 移动输出耦合镜6的横向位置，将直径为30微米的圆形微孔靠近光束中心，直到CCD中显示出环形的光斑图样，则已将圆形微孔调节至光束中心，产生的激光光束为阶数l＝1的涡旋光束；继续调节输出耦合镜6的位置，将直径为50微米的圆形微孔靠近光束中心，直到CCD中显示的光斑图样呈现环形，产生的激光光束为l＝2的涡旋光束；将直径为100微米的圆形微孔靠近光束中心，直到CCD中显示出面积最小的环形(肉眼可见)，则已将圆形微孔调节至光束中心，产生的激光光束为l＝3的涡旋光束，移动该圆形微孔的横向位置使其稍稍偏离中心，会输出l＝4的涡旋光束；将直径为150微米的圆形微孔靠近光束中心，直到CCD中显示出面积最小的环形，输出的激光光束为l＝5的涡旋光束，移动该圆形微孔的横向位置使其稍稍偏离中心，会依次输出l＝6和l＝7的涡旋光束；按照上述过程，利用直径为200微米的圆形微孔会得到l＝8-13的涡旋光束，利用直径为300微米的圆形微孔会得到l＝ 14和l＝15的涡旋光束，利用直径为400微米的圆形微孔，会得到l＝16-20的涡旋光束。所产生的l＝1-20的涡旋光束光斑形状如图3所示，光斑图样由CCD照相机显示。为展现该方法对涡旋光束阶数的调节能力，本发明利用了具有更大直径的圆形微孔来产生阶数更高的涡旋光束，图4显示了八个阶数大于20的涡旋光束，其中l＝33、40、50的涡旋光束是利用直径为 600微米的圆形微孔产生；l＝64、74、85的涡旋光束是利用直径为800微米的圆形微孔产生； l＝94、108的涡旋光束是利用直径为1000微米的圆形微孔产生。注：在切换不同圆形微孔时，若在CCD中无法看到环形的光斑图样，说明圆形微孔产生的损耗过大，此时需移动增益晶体5的纵向(激光传输方向)位置，增大入射到增益晶体5内的泵浦光光斑大小，直到CCD中显示出环形的光斑图样，再进行上述调节过程。 [0032] 涡旋光束阶数的判断方法为利用柱透镜模式转换器将LG0l模式的涡旋光束转换为HG0l模式的厄米高斯光束。如图5，模式转换器由依次的圆透镜16、第一柱透镜17以及第二柱透镜18组成，两个柱透镜的结构完全相同，它们之间的距离为 f为两柱透镜的焦距，利用圆透镜16将涡旋光束聚焦到两柱透镜之间的中心位置，则可将涡旋光束转化为厄米高斯光束，对于HG0l模式的厄米高斯光束，其光斑图样呈现沿同一方向排列的l+1个瓣，利用CCD显示厄米高斯光束的光斑图样，只需数出瓣的个数，则光瓣的个数减1即为所产生的涡旋光束的阶数，例如，转换得到的厄米高斯光束(19)的光斑图样呈现3个瓣，可判断出所产生的涡旋光束(20)的阶数为l＝3-1＝2。 |
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