一种阶数可调的多模式涡旋激光器

本发明涉及激光器领域，尤其涉及一种阶数可调的多模式涡旋激光器。

背景技术：

1、涡旋光束具有螺旋形的波前，围绕中心一周其波前相位改变2π的整数l倍，光束中每个光子携带的轨道角动量。对于拉盖尔-高斯(laguerre-gaussian)光束这种最为典型的涡旋光束而言，l就是其角向指数；由于涡旋光束中心存在相位奇点，其光强呈中空环状分布，相关特性使得涡旋光束在光镊、量子通信、微纳制造等方面具有重要应用。产生涡旋光束的方法包括无源和有源两大类，无源方法对既有的高斯光束或厄米高斯光束进行腔外调制和变换得到涡旋光，有源方法通过泵浦光整形和调整器/缺陷点尺寸和图样的设计加工来控制谐振腔内激光模式增益和损耗，从而实现模式选择、产生涡旋光振荡输出[1]。

2、在量子纠缠、空间光通信等应用中，经常需要使用同时包含多个模式的涡旋光源来进行复用以提高系统性能。然而，多模光束的模式纯度和功率比例往往难以控制，且模式竞争也会导致光强的起伏，因此可控的多阶涡旋光束产生方法非常重要。目前公开报道的多模式涡旋光束产生方法中，仅有文献[2]中提出通过在激光谐振腔反射镜上刻蚀多个不同尺寸的同心圆环，来控制具有不同尺寸的各阶模式的损耗，从而实现多模式的涡旋光输出。然而，在腔镜上刻蚀复杂结构的图案对于加工工艺要求很高，器件制备难度很大；另一方面，在器件制备之后，其对应的模式阶数也就相应确定下来，很难实现对模式阶数灵活的独立调节；再者，缺陷点很容易被腔内的高强度激光进一步破坏，使激光模式发生变化，甚至不能继续工作。因此，现有技术很难实现阶数可调的多模式涡旋光输出。

3、参考文献

4、[1]a.forbes,“structured light from lasers,”laser photonics rev.13(11),1900140(2019).

5、[2]腔内直接产生多涡旋光束的方法，中国发明专利，授权号cn 109031674 b

技术实现思路

1、本发明提供了一种阶数可调的多模式涡旋激光器，本发明利用多片位于不同位置的激光输出镜分别对不同阶数的拉盖尔-高斯模式涡旋激光提供反馈，实现阶数可调的多模式涡旋激光振荡输出，详见下文描述：

2、一种阶数可调的多模式涡旋激光器，所述激光器包括：

3、激光全反镜镀有泵浦光波长增透、激光波长高反的膜系；激光增益介质镀有泵浦光和激光波长增透膜系；腔内透镜镀有激光波长增透膜系，第一激光输出镜和第二激光输出镜均为平面镜，二者均为一面镀有对激光波长部分透过的膜系，另一面镀有对激光波长增透的膜系；

4、高阶拉盖尔-高斯光束经所述腔内透镜聚焦，各阶拉盖尔-高斯模式涡旋光在所述腔内透镜的球差作用下，聚焦后的光束束腰位置会发生分离，模式阶数越高、光斑尺寸越大的模式聚焦后的光束束腰越接近腔内透镜；

5、调节第一激光输出镜和第二激光输出镜的位置，使之分别位于某一模式的束腰位置，位于不同位置的第一激光输出镜和第二激光输出镜分别为两个不同阶数的拉盖尔-高斯模式涡旋光提供反馈，使之形成多模式涡旋激光振荡并输出。

6、其中，所述第一激光输出镜的布置方向为：镀有激光波长增透膜系的一面朝向增益介质和腔内透镜组成的激光谐振腔内。所述第二激光输出镜的布置方向为：镀有激光波长部分膜系的一面朝向激光谐振腔内。

7、优选地，当产生的涡旋光阶数较高时，所述激光增益介质和腔内透镜的通光孔径大于振荡高阶涡旋光光斑的尺寸其中w是由谐振腔abcd矩阵决定的基模光斑尺寸，p和m分别为高阶涡旋光的径向和角向指数。

8、优选地，激光全反镜的曲率半径≤100mm，或在其附近加入短焦距透镜，焦距≤100mm。

9、所述激光增益介质为：nd:yvo4、nd:yag、ti:sa，或掺nd、掺yb、掺er的激光玻璃、激光陶瓷。

10、本发明提供的技术方案的有益效果是：

11、1)本发明利用两片位于不同位置的激光输出镜分别对不同模式的涡旋光提供反馈，从而产生阶数可以便捷调节的多模式涡旋激光输出，无需特殊器件的制备和使用，方法简单方便，成本经济；

12、2)本发明利用单一泵浦光和激光晶体产生多模式涡旋激光，结构简单，不同模式的涡旋激光的光斑尺寸不同，因此增益区域不同，不存在增益竞争、更为稳定，对泵浦光利用率高。

技术特征：

1.一种阶数可调的多模式涡旋激光器，其特征在于，所述激光器包括：

2.根据权利要求1所述的一种阶数可调的多模式涡旋激光器，其特征在于，所述第一激光输出镜的布置方向为：镀有激光波长增透膜系的一面朝向增益介质和腔内透镜组成的激光谐振腔内。

3.根据权利要求2所述的一种阶数可调的多模式涡旋激光器，其特征在于，所述第二激光输出镜的布置方向为：镀有激光波长部分反射膜系的一面朝向激光谐振腔内。

4.根据权利要求2所述的一种阶数可调的多模式涡旋激光器，其特征在于，当产生的涡旋光阶数较高时，所述激光增益介质和腔内透镜的通光孔径大于振荡高阶涡旋光光斑的尺寸其中w是由谐振腔abcd矩阵决定的基模光斑尺寸，p和m分别为高阶涡旋光的径向和角向指数。

5.根据权利要求2所述的一种阶数可调的多模式涡旋激光器，其特征在于，激光全反镜的曲率半径≤100mm或在其附近加入短焦距透镜，焦距≤100mm。

6.根据权利要求1所述的一种阶数可调的多模式涡旋激光器，其特征在于，所述激光增益介质为：nd:yvo4、nd:yag、ti:sa，或掺nd、掺yb、掺er的激光玻璃、激光陶瓷。

技术总结
本发明公开了一种阶数可调的多模式涡旋激光器，包括：腔内透镜镀有激光波长增透膜系，第一激光输出镜和第二激光输出镜均为平面镜，二者均为一面镀有对激光波长部分透过的膜系，另一面镀有对激光波长增透的膜系；高阶拉盖尔‑高斯光束经所述腔内透镜聚焦，各阶拉盖尔‑高斯模式涡旋光在所述腔内透镜的球差作用下，聚焦后的光束束腰位置会发生分离，模式阶数越高、光斑尺寸越大的模式聚焦后的光束束腰越接近腔内透镜；调节第一激光输出镜和第二激光输出镜的位置，使之分别位于某一模式的束腰位置，位于不同位置的第一激光输出镜和第二激光输出镜分别为两个不同阶数的拉盖尔‑高斯模式涡旋光提供反馈，使之形成多模式涡旋激光振荡并输出。

技术研发人员：盛泉,耿婧旎,孟凡荣,单晨,付士杰,史伟,姚建铨
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13