专利名称：基于锥形折射的新型光子器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及新型光子器件，其利用锥形折射来改善光束的质量。其包括但不限于激光。
背景技术：
1832年，汉密尔顿(Hamilton)预测了锥形折射，他推断如果光束沿双轴晶体的光轴传播，会出现空心圆锥体光。之后不久，劳埃德(Lloyd)利用天然的双轴晶体和太阳光观察到了空心光锥。因为其理论描述需要引入波效应，现代研究将锥形折射称为锥形衍射，这些术语是同义的。基于锥形折射(CR)现象的光学效应和器件在光子学领域是非常基础的且具有重要的实践意义，因为大多数已知的晶体结构都是双光轴的。但是对这种现象的研究相对较少。最近的关注点是由现代晶体生长、切割和抛光技术的实用性推动的，这些技术已经发展到能够生产出正确取向的晶体的程度。可利用图1所示的设备来观察CR现象，该设备包括激光器3、透镜5和双光轴CR晶体7，该晶体被垂直于其某一光轴地切割。图Ia示出了入射的高斯光束的空间演变及其在CR效应下的变化。在劳埃德平面19上可观察到光环，劳埃德平面19也被称作聚焦成像平面。劳埃德平面之后，光束发展到一系列环21，这由波根多夫(Poggendorff)首先观察到，之后又进化到轴向尖峰23，其由拉曼(Raman)第一次记录。最终，光束在远场回到了最初的分布。劳埃德平面也是对称的平面25(图lb)。劳埃德平面中的环的中心横向偏移一定的量，此处由C表示，其取决于晶体长度d和代表晶体锥形折射能力的因子(图la)。该横向偏移的方向可被限定为晶体取向的属性。赝矢量Λ 也可以经验地被限定为垂直于光束传播方向和横向偏移方向，并遵守右手定律。另一个特征与劳埃德平面的纵向偏移有关。图Ia中的纵向偏移△由下式给出Δ =(1)其中η为晶体在光子的传播方向上的折射率。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种光学系统，包括输入光源，用于沿光轴投射输入光束；以及光学元件，从输入光束形成锥形折射光束，然后重构该输入光束。优选地，该光学元件包括第一锥形折射元件，该第一锥形折射元件形成锥形折射光束并利用重构光学元件向该锥形折射光束施加相移以重构该光束。优选地，该第一锥形折射元件通过施加第一赝矢量而形成锥形折射光束，且该重构光学元件通过向该锥形折射光束施加取向相反的第二赝矢量而重构光该输入光束。优选地，该第二赝矢量具有与该第一赝矢量基本相反的取向。优选地，该第二赝矢量包括多个赝矢量，该多个赝矢量的取向之和提供了该相移。
优选地，该第一元件具有预定的光学路径长度，该入射光束被传输穿过该光学路径长度以形成锥形折射光束。优选地，该重构光学元件具有预定的光学路径长度，该锥形折射光束被传输穿过该重构元件的光学路径长度以形成重构光束。优选地，该重构光学元件为第二锥形折射元件。优选地，该重构光学元件包括一个或多个沿所述锥形折射光束的光学路径放置的额外的锥形折射元件。优选地，该重构元件包括反射器和该第一锥形折射元件，其中该反射器将该锥形反射光束反射回穿过该第一锥形折射元件，由此向锥形折射光束施加相移并重构该输入光
束ο优选地，所施加的相移穿过第一锥形折射元件的路径长度与穿过该重构光学元件的路径长度基本相等。优选地，该相移为180°。优选地，该光源提供相干源光束。优选地，该光源提供非相干光束。
优选地，该光束为偏振的。优选地，该光束为圆偏振的。优选地，该锥形折射元件包括稀土元素离子掺杂的双轴晶体，其以能够锥形折射的方向被切割。优选地，该晶体为钕掺杂的钨酸钆钾晶体。优选地，该输入镜为对于激光波长具有高反射率的凹面镜。优选地，该输出镜为平面镜。优选地，该光学元件为级联的锥形折射光学元件。根据本发明的第二方面，提供一种用于激光的增益介质，具有如本发明第一方面所描述的光学元件。根据本发明的第三方面，提供一种具有增益介质的激光器，该增益介质具有如本发明第一方面所描述的光学元件。优选地，该激光器包括腔体，该腔体包括配置在位于该腔体第一端部的输入镜和配置在该腔体的第二端部的输出镜之间的光学元件，其中从该腔体的第一端部泵浦激光， 且输出镜将该光束反射回并穿过该光学元件同时相移。可选地，该光束为线性偏振的。典型的稀土离子掺杂的双轴晶体增益介质以能够出现CR现象的方向被切割。该晶体为3% Nd掺杂KGW，尺寸为3X4X 17mm，切割成沿光轴传播。该晶体表面被涂上1067nm和808nm的抗反射涂层(AR coated)，且被安装到18°C的水冷托中。本发明的第一方面中，本发明涉及一种新型的基于锥形折射增益的固态体激光器，其提供如下特征(a)激光器稳定性和新的操作规则、(b)超衍射极限 (sub-diffraction limit)输出、(c)在大范围腔体队列上极佳的光束质量、(d)对于泵浦功率密度和泵浦光束质量的阈值和性能不灵敏性、(e)对热透镜化不敏感，从而实现简单的热管理。
术语光学包括但不限于装置、元件等使用或操作在电磁光谱的可见光、红外、紫外区域或光谱的更高或更低波长的其他附加部分的电磁辐射。
现在仅通过示例，并参考附图对本发明的实施例进行描述，其中图Ia和图Ib示出了已知的聚焦光束的单晶体锥形折射效应；图2示出了本发明的一个实施例，其中发生双晶体级联锥形折射；图3示出了本发明的第二个实施例，其为锥形折射激光器的一个例子；图4示出了根据本发明的锥形折射激光器的性能；以及图5为对于根据本发明的一组泵浦模式直径的例子的输出功率对入射泵浦功率的曲线图；图6为对于根据本发明的CR激光器的例子的斜度效率对泵浦模式直径的曲线图；图7为对于本发明的另一例子的输出功率对入射泵浦功率的曲线图；图8为最大腔体长度对本发明的一个实施例中使用的高反射器的曲率半径的曲线图；图9为对于根据本发明另一组泵浦模式直径的例子的输出功率对泵浦功率的曲线图；图IOa和图IOb为二极管激光器和锥形折射激光器的示意图。
具体实施例方式本发明涉及一种新的光学系统，例如基于锥形折射增益的激光器，该锥形折射增益通过将取向不同的赝矢量应用到入射光束而产生。本发明提供了一些特点，诸如(a)激光器稳定性和新的操作规则、(b)超衍射极限输出、(c)在大范围腔体队列上极佳的光束质量、(d)对于泵浦功率密度和泵浦光束质量的阈值和性能不灵敏性、(e)对热透镜化不敏感，从而实现简单的热管理。在下面的例子中，级联方案包括将赝矢量Λ的相反的取向应用到光束中，如图2 所示。在该例子中，使用一对取向相反的晶体，且该晶体被准确地对准，则所观察的效果很明显劳埃德环出现在第一晶体之后，但是在光束穿过两个晶体后，所观察到的光束具有与第一晶体前的初始高斯激光束相同的光束分布。图2示出了根据本发明的级联锥形折射的试验装置。光学系统31包括沿光轴放置的激光器33、第一 CR晶体37、第二 CR晶体33以及电荷耦合器件(CXD)47。初始光束分布35与光束传输穿过CR37后形成的劳埃德环一起被示出。还示出了最终光束分布49。两个CR晶体具有基本相同的长度，且以赝矢量Λ的基本相反的两个取向而取向。当两个晶体以级联的方式放置时，在第一晶体后面可观察到劳埃德环41，但是在第二晶体后所观察到的最终光束49不是劳埃德环，而是与穿过第一晶体之前的初始高斯光束具有相同的光束分布的光束。很明显两个CR晶体之间的环形光束在第二晶体(CR2)之后转变成初始的高斯光束。在本发明的这个示例中，两个长度为22mm士20nm的CR37、43以其赝矢量Λ的彼此相反的取向被安装。氦氖激光器的准直且未修正的输出具有1. 5mm的光束直径，该输出穿过两个晶体。第一晶体位于距激光器15cm的位置，第二晶体比第一晶体距激光器又远了 10cm。通过在CXD上观察劳埃德环使每个晶体各自独立地对准以进行锥形折射，且没有成像光学器件放置在距激光器40cm处。当两个晶体均位于光束路径中时，最终输出被记录在 CCD中，并与激光器发出的初始光束的分布相比较。 在本发明的该实施例中，激光器用于提供相干入射光束。在其他类似的实施例中， 可使用非相干入射光束。另外，可使用CR晶体的其他架构，例如，可使用单个晶体，并使用使光以180°的相移反射回穿过该晶体的镜，从而再次形成初始光束。可使用两个以上的CR晶体来提供类似的效果。图3示出了根据本发明的锥形折射激光器的例子。该激光器腔体51包括泵浦53、 透镜55、输入镜57、CR晶体59和输出耦合器63。泵浦光束54与输入镜57和CR晶体59 之间的距离L61以及输出光束65—起被示出。该设备形成为围绕活性介质(安装在20°C 的水冷金属托中)，使用对激光波长具有高反射率的凹面镜57 (输入镜)以及对激光波长的透射率为3%的平面镜63 (输出耦合器)。通过非偏振多模(中心直径为100μπι，Μ2 = 40) 光纤耦合二极管激光器，以808nm的波长使激光端泵浦穿过输入镜、聚焦在晶体进入面。HR是曲率半径为75mm的凹面高反射器，活性介质沿着17mm的轴被光学地泵浦穿过该凹面高反射器。OC为平面输出耦合器，对于激光波长具有3%的透射率。在该示例中， 泵浦光束54被聚焦到晶体59的进入面。L61为使泵浦光束的焦点保持在晶体进入面上时的距离。另外，腔体被设为50mm，并且在泵浦模式直径在235至1570 μ m之间变化时保持不变。激光可以为连续波或脉冲的。使用双透镜系统改变泵浦模式直径。为了确保对准以形成锥形折射，CRC活性介质首先与He-Ne激光器对准，直到在CCD上观察到劳埃德环。然后泵浦被调节为与氦氖光束共线，直到在CCD上观察到来自泵浦光束的劳埃德环。当在阈值以上操作激光器时，腔体镜被进一步地调整，直到激光器输出也与He-Ne光束共线。通过使用焦距为6. 2mm的非球面透镜将激光器输出耦合到核心直径为6 μ m的单模光纤中，来评估不同CRC激光的光束质量。下面将进一步解释并例证上述配置。在双镜腔体(图3)中使用为CR切割的钕 (Nd3+)掺杂KGd(WO4)2晶体(Nd:KGW)作为活性介质。使用波长为808nm的多模光纤耦合二极管激光器，使激光端泵浦穿过凹面高反射器。平面输出耦合器在反射的1067nm激光束中引入相移η。当反射光束返回并穿过CRC时，该相移的效果与将晶体的赝矢量取向改变为相反值的效果相同。在最初的试验中，总的镜间隔被设为50mm。对于808nm处5W的入射泵浦功率，该激光器提供1067nm处3. 3W的输出功率，输入泵浦功率的激光阈值为400mW。Nd:KGW中测量到的单向泵浦吸收率为入射泵浦功率的98%。输出功率的测量值对入射泵浦功率的线性拟合显示出光-光斜度效率为74% (图4)。晶体的量子数亏损被定义为没有转变成激光光子能量的泵浦光子能量的比例，约为24%。这限制了这种增益介质可达到的最大理论效率。因此可总结出，激光的效率仅受很低( 0.1%)的、没有穿过输出耦合器的腔体损耗的限制。可观察到单个线性偏振输出，其具有圆形对称分布轮廓，测得的M2 图4)。作为极佳光束质量的进一步的证据，可将激光束全功率的85%以上耦合到单模光纤中。图4的曲线图71绘制了当总的镜间隔在50mm至80mm之间变化时，对于长度不同的两个激光腔体所测得的输出功率75对入射泵浦功率73，分别为曲线77和79。泵浦模式直径被设为400μπι。两种结构都具有74%的斜度效率。插图为来自50mm腔体的激光器输出在最大输出下的3-D分布81。该效率和输出光束分布保持恒定，与腔体长度无关。另外，图3中所示的晶体和输入镜之间的距离L61在镜间隔为80mm的腔体中改变，从距弯曲的输入镜 5mm的晶体进入面到距输入镜 60mm的腔体的另一端部。假设泵浦焦点保持在晶体的进入面上，且激光被正确地对准，则不会观察到激光在输出功率和光束分布方面的性能变化。这种现象与已知的高斯激光理论完全不相符，基本的高斯腔体模式的直径随腔体结构的不同而剧烈地变化。假定高斯腔体模式的简单计算显示晶体中的模式直径随腔体内侧的晶体的位置改变而从 160 μ m变化到450 μ m。这会强烈地影响激光输出的效率，理论最大值从37% 变化到71%。图5为235、400、800、1140和1570 μ m的各个泵浦模式直径(附图标记分别为89、 91、93、95和97)下，入射泵浦功率85对输出泵浦功率87的曲线图83。235和400 μ m泵浦模式直径获得了最佳的性能，斜度效率为 74%。图6所示的曲线图101绘出了泵浦模式直径103对斜度效率105。绘制出了 CR激光107、理论最大值109和高斯最大效率111。 当泵浦直径增大到超过400 μ m时，效率以近似线性的方式降低。可以清楚地看到，在所有例子中，激光的效率超过了最大理论高斯效率111。激光的光束质量被评定，且在所有例子中观察到所测量的M2S 1。使用普通的Nd:KGW晶体可达到这样的结果，与切割成CR的Nd:KGW的相同尺寸与观察结果一致。从该传统的激光可达到SOOmW的最大输出功率，同时当激光被充分优化时保证较高的光束质量。在该输出功率等级以上，光束质量会急剧降低。假设与腔体结构无关的恒定斜度效率和光束质量，这与我们对CRL的观察相反。激光的最大理论斜度效率η s遵循下式Iis= npncntnq⑵其中ηρ为泵浦效率，η。为腔体效率，Ht为横切效率，％为量子效率。在晶体的前表面测量泵浦功率，单向吸收率为98%，因此ηρ = 0.98。Nd:KGW可达到的最大量子效率1^ = 0.757。腔体效率(η。)被对输出功率无贡献的腔体损耗所降低，例如散射损耗和晶体缺陷。这些损耗随着模式区域(图6中的附图标记109)的增大而增大。清楚的是，观察到的效率仅受到这些损耗和最大量子效率的限制。横切效率是泵浦和激光模式之间的失配的量度，其对高斯激光具有最重要的价值。但是，在CRL的情况下不具有相关性，因为Jlt 必须等于实验观察到的物理上可实现的斜度效率的不变乘数(unity)。因此，CR激光模式自适应于泵浦光束模式和腔体模式，因此遵循的CRL操作规则是不同的。图7和图8示出了在简单的双镜腔体结构中可被操作在高斯腔体稳定极限以外并产生极佳光束质量的二极管泵浦锥形折射Nd:KGW激光器的结果。示出了简单的腔体设计规则，其预测了对于该激光器的操作稳定的最大腔体长度并分析了输出的光束质量。该晶体为3% Nd-KGW，尺寸为3X4X17mm，切割成沿光轴传播。该晶体表面被涂上1067nm和808nm的抗反射涂层，且被安装到18°C的水冷托中。通过多模光纤耦合二极管激光器在808nm处使该晶体被端泵浦穿过凹面高反射器。泵浦聚焦在晶体的进入面上，模式直径为200μπι。泵浦光束为圆形对称的，且具有M2 40。计算出Nd: KGW中的泵浦光束的共焦参数为 2mm。使用凹面高反射器和透射率为3%的平面输出耦合器形成激光腔体。 使用曲率半径R = 38、50、75和IOOmm的不同的凹面高反射器。在各种情况下，高反射器和晶体进入表面之间的距离被设定为R/4。可观察到单个输出，其具有近似圆形的对称高斯分布，M2 < 1.05。光束质量不受腔体长度的影响，可在稳定或非稳定结构中达到极佳的光束质量而不损失输出功率。图7为示出了对于稳定腔体119和接近稳定性边缘的腔体121而言结合在一起的输出功率117对入射泵浦功率115的曲线图113，其中凹面高反射器的曲率半径为75mm。在稳定的共振腔的情况下，总的镜间距为47mm，而在接近稳定边缘的腔体的情况下，镜间距为 79mm。可以看出，输出特性在两种情况下几乎相同，斜度效率分别为45%和46 %。相对低的斜度效率是由于目前的输出耦合器的透射率较低。图8所示的曲线图123绘出了最大腔体长度对曲率半径125。这显示出了工作在传统的高斯稳定极限以外的激光改善的输出功率和光束质量。结合图9说明本发明的另一个例子。如结合图7和图8所描述的例子，该晶体为3% Nd掺杂KGW，尺寸为3X 4X 17mm，切割成沿光轴传播。该晶体表面被涂上1067nm和 808nm的抗反射涂层，且被安装到18°C的水冷托中。通过多模光纤耦合二极管激光器在 808nm处使该晶体被端泵浦穿过曲率半径为75mm的凹面高反射器。3%的平面输出耦合器形成第二腔体镜。镜间距固定为47mm，且从弯曲高反射器到晶体进入表面之间的距离被设置为18mm。泵浦被聚焦在晶体的进入面上，模式直径为100、200、300和400μπι。泵浦光束为圆形对称的，且为高度多模的(M2 40)。图9示出了 200、300、100和400 μ m的泵浦模式直径下输出功率137对输入泵浦功率135 (分别为曲线139、141、143和145)。输出光束的特征为具有近似圆形对称高斯分布，在所有情况中M2 < 1.05。可以看出，输出特性在所有情况下几乎相同，斜度效率随泵浦斑点尺寸的增加从40%增大到48%。相对低的斜度效率是由于目前的输出耦合器的透射率较低。较为显著的是阈值几乎与泵浦直径无关。这与已知的二极管端泵浦固态激光器理论完全不相符，在该理论下基本的高斯腔体模式在所有激光之间保持不变时，阈值应该强烈地依赖于泵浦尺寸。基于锥形折射元件活性介质的激光器在共振腔模式匹配、热管理和泵浦光束质量要求方面的设计中可提供简单和灵活性。所显示的结果为端泵浦固态体激光器铺设了另一条通往能量和光明之路。上文示出了级联锥形折射的一个例子，其形成了本CR激光器的基础。该观察结果对光子学领域具有重要的价值，尤其是以前锥形折射传统上被认为是“没有可想象到的应用的仅仅奇怪的光学现象”。下文是使用根据本发明的器件的例子。生物光子学普遍接受的是，激光的生物光子学应用没有达到最优化，这种应用简单地使用可利用的源而不考虑最优的激光类型。对于激光显微解剖来说也是这样的。在3D微解剖和纳米外科手术中，对于具有大于IX 106W的峰值功率的超短脉冲的一个需要是次皮秒的持续时间。还已知的是功率范围在光纤激光的损伤阈值以外。在没有额外的放大的紧凑结构中不会达到该功率等级。但是，锥形折射激光器可具有以高度紧凑的结构而产生这种参数的能力。光学镊钳本发明还可被用作低成本高功率的CW激光系统，用于光学镊钳。新型激光源CR元件在DPSS (二极管泵浦固态)体激光器中作为增益介质。基于典型的以能够出现CR现象的方向切割的稀土离子掺杂的双轴晶体增益介质的激光器提供了新一代的超效率自适应DPSS体激光器，其能够覆盖较宽的光谱范围。已经示出，这些激光器的效率仅受可达到的理论最大量子效率极限的限制(图 6)。因此，CR激光源的结构可提供更大的效率、更高的功率、更好的光束质量、更高的可靠性以及更低的维护费用。与目前市场上可获得同等性能的激光器相比，设计和生产更加紧凑、简单，从而可降低成本。下表示出CR激光器和现有技术的性能的比较。
权利要求
1.一种光学系统，包括输入光源，用于沿光轴投射输入光束；以及光学元件，从输入光束形成锥形折射光束，然后重构该输入光束。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中光学元件包括第一锥形折射元件，该第一锥形折射元件形成锥形折射光束并利用重构光学元件向该锥形折射光束施加相移以重构该光束。
3.根据前述任一权利要求所述的光学系统，其中该第一锥形折射元件通过施加第一赝矢量而形成锥形折射光束，且该重构光学元件通过向该锥形折射光束施加取向相反的第二赝矢量而重构光该输入光束。
4.根据权利要求3所述的光学系统，其中该第二赝矢量具有与该第一赝矢量基本相反的取向。
5.根据权利要求4所述的光学系统，其中该第二赝矢量包括多个赝矢量，该多个赝矢量的取向之和提供了该相移。
6.根据权利要求2至5中任一权利要求所述的光学系统，其中该第一元件具有预定的光学路径长度，该入射光束被传输穿过该光学路径长度以形成锥形折射光束。
7.根据权利要求2至6中任一权利要求所述的光学系统，其中该重构光学元件具有预定的光学路径长度，该锥形折射光束被传输穿过该重构光学元件的光学路径长度以形成重构光束。
8.根据权利要求2至7中任一权利要求所述的设备，其中该重构光学元件为第二锥形折射元件。
9.根据权利要求2所述的光学系统，其中该重构光学元件包括一个或多个沿所述锥形折射光束的光学路径放置的额外的锥形折射元件。
10.根据权利要求2至7中任一权利要求所述的光学系统，其中该重构元件包括反射器和该第一锥形折射元件，其中该反射器将该锥形反射光束反射回穿过该第一锥形折射元件，由此向锥形折射光束施加相移并重构该输入光束。
11.根据权利要求6和7所述的设备，其中所施加的相移穿过第一锥形折射元件的路径长度与穿过该重构光学元件的路径长度基本相等。
12.根据权利要求2至11中任一权利要求所述的设备，其中该相移为180°。
13.根据前述任一权利要求所述的设备，其中该光源提供相干源光束。
14.根据权利要求1至12中任一权利要求所述的设备，其中该光源提供非相干光束。
15.根据前述任一权利要求所述的设备，其中该光束是偏振的。
16.根据前述任一权利要求所述的设备，其中该光束是圆偏振的。
17.根据权利要求2至16中任一权利要求所述的设备，其中该锥形折射元件包括稀土元素离子掺杂的双轴晶体，其以能够锥形折射的方向被切割。
18.根据权利要求16所述的设备，其中该晶体为钕掺杂的钨酸钆钾晶体。
19.一种用于激光器的增益介质，具有如权利要求1至权利要求18之一所述的光学元件。
20.一种激光器，包括如权利要求19所述的具有光学元件的增益介质。
21.如权利要求20所述的激光器，其中该激光器包括腔体，该腔体包括配置在位于该腔体的第一端部的输入镜和配置在该腔体的第二端部的输出镜之间的该光学元件，其中从该腔体的第一端部泵浦激光，且输出镜将光束反射回穿过该光学元件同时相移。
全文摘要
一种光学系统(31)，具有输入光源(33)，用于沿光轴投射输入光束；以及光学元件(37，43)，从输入光束(35)形成锥形折射光束(41)，然后重构该输入光束(49)。该光学元件可包括第一锥形折射元件(37)，该第一锥形折射元件形成锥形折射光束并利用重构光学元件(43)向该锥形折射光束施加相移以重构该光束。该光学系统可被用于形成激光器或用于激光器的增益介质。
文档编号G02B27/09GK102388334SQ201080012570
公开日2012年3月21日 申请日期2010年1月21日 优先权日2009年1月21日
发明者A·阿伯德沃德, E·拉法罗夫, T·卡尔坎杰夫 申请人:敦提大学