一种通信用2微米多维度环形超快激光的产生装置及方法

本发明涉及激光，涉及一种超快环形激光产生的装置，具体涉及一种通信用2微米多维度环形超快激光的产生装置及方法。

背景技术：

1、光通信技术是一种以光波为传输媒质的通信方式，比如通信载波光源中，以激光作光源的光纤通信，具有不受外界干扰，保密性好，使用范围广等优点，能够在6g多维度超高速通信技术中重要运用，适用于陆上和越洋的远距离大容量的干线数字通信；

2、目前通信载波光源的研究主要表现以下三点：

3、1、光通信波段扩展至c+l波段；c+l波段具有较低的衰减、较大的传输带宽和较小的光纤损耗等优点，但由于c+l波段的光纤色散较高，导致信号失真和传输损耗增加，并且其光源、光放大器等光器件相对较昂贵，增加了通信的成本；2、维度受限，使用单一；电磁波具有频率(波长)、振幅、相位、偏振、时间和空间结构等自由度，然而现有的光通信技术研究只是从光的某一个维度(波长、偏振或相位等)来扩大容量，并没有做到多维度扩容；3、准连续光源，信噪比低；在准连续光源中，由于光信号包含了较宽的光谱带宽，噪声信号的功率可能相对较高，从而降低了信噪比，这可能会对光通信系统的性能产生不利影响，比如降低信号的检测灵敏度和传输距离。

4、相应的，环形光束因其独特的“甜甜圈”结构和相位、偏振涡旋等特性得到广泛关注。常见的环形光束主要有相位涡旋光束、偏振涡旋光束(也称矢量光束)和相位偏振涡旋光束(也称矢量涡旋光束)，其中相位涡旋光束和矢量涡旋光束因其具有螺旋形波前的特性，光束中的每一个光子均携带有轨道角动量(oam)，而矢量光束不携带oam，其独特的偏振呈现涡旋分布，这些特性使得环形光束在激光通信、光学加工、量子信息处理等领域具有重要的应用前景；而多维度超快环形光束，其结合了传统中红外超快激光光束的和环形光束的优点，在空间光通信、超快物理和化学过程、超快非线性光谱学、纳米加工和太赫兹涡旋激光产生等方面显示出了巨大潜力；

5、目前多维度超快环形光束的产生方法主要有腔内直接产生和腔外间接产生两种方法。常见的腔外间接产生方法一般通过腔外转换、整形光学元件产生环形光束，比如空间光调制器、相位螺旋板、柱透镜等元件，此类基于相位调制方法产生的多维度超快环形光束的纯度低、装置复杂、成本较高；腔内直接产生方法一般通过非共线泵浦技术和热值双折射效应产生环形光束，此类方法基于半导体可饱和吸收体(sesam)产生的超快环形光束纯度高，但其成本较高、可调调制深度较小、波长受限；

6、因此，一种低成本、高损伤阈值、大可调调制深度、更加简单可靠的腔内直接产生多维度超快环形光束的方法已成为重要的研究方向，为实现有效扩容，解决通信容量瓶颈问题提供了可能。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种通信用2微米多维度环形超快激光的产生装置，结构简单紧凑，能够产生涡旋、矢量和矢量涡旋环形超快激光，实现对2微米波段多维度超快环形激光光束的获得，成本低。

2、为实现上述目的，本一种通信用2微米多维度环形超快激光的产生装置，包括：

3、激光泵浦源，用于提供泵浦光；

4、平凸镜组，布置在激光泵浦源处、用于对泵浦光的准直聚焦；

5、增益介质，用于接收平凸镜组聚焦的泵浦光，增益介质为掺铥、掺钬或者铥钬共掺的各向异性的c切晶体或者各向同性的陶瓷、并且其通光平面的法向量与激光传播方向的角度可以在0°-20°范围进行调节；

6、第一平凹镜、第二平凹镜，分别位于增益介质的两侧共同构成共焦谐振腔、用于接收增益介质产生的增益激光，第一平凹镜靠近平凸镜组处、第二平凹镜移动靠近或远离增益介质；

7、平面反射镜，位于第一平凹镜的折叠角、用于接收第一平凹镜反射的激光光束并将其反射回腔内，平面反射镜远离或靠近第一平凹镜、并进行俯仰角调整布置；

8、输出耦合镜，位于第二平凹镜的折叠角、用于输出腔内小部分稳定激光。

9、进一步的，当第一平凹镜、第二平凹镜共同构成的共焦谐振腔为非对称共焦谐振腔时，第二平凹镜与输出耦合镜之间的距离d3、与第一平凹镜和平面反射镜之间的距离d4之比为[3，6)：6。

10、进一步的，所述激光泵浦源为高功率、高亮度的793nm激光二极管或1620nm单模光纤激光器。

11、进一步的，所述输出耦合镜的透过率为0.2％、0.5％或1％。

12、进一步的，所述平凸镜组具有依次布置的第一平凸镜、第二平凸镜；

13、第一平凸镜用于准直激光泵浦源输出的泵浦光，第二平凸镜用于将第一平凸镜准直后的泵浦光聚焦到增益介质中。

14、本发明目的在于提供一种通信用2微米多维度环形超快激光产生方法，利用非共线泵浦技术、c切增益介质的双折射效应和软光阑克尔透镜锁模在腔内直接产生既具有相位涡旋，又具有偏振涡旋的超快环形光束，实现2微米多维度环形超快激光的获得，操作简单；

15、一种通信用2微米多维度环形超快激光的产生方法，具体包括以下步骤：

16、a.在x-o-z平面内布置激光泵浦源、平凸镜组、第一平凹镜、增益介质、第二平凹镜、输出耦合镜、平面反射镜；

17、使得激光泵浦源输出的泵浦光经过准直聚焦到a切的增益介质上，调节第一平凹镜、增益介质、第二平凹镜和平面反射镜的位置使激光在腔内发生谐振，输出耦合镜稳定输出中红外微米波段的基模连续激光；

18、b.调节平面反射镜在y-o-z平面内俯仰角、进行非共线泵浦，高阶横模增益更大从而选出，基阶横模增益小从而抑制，腔内获得中红外微米波段的超快涡旋环形光束；

19、c.沿z轴方向移动平面反射镜的位置，并将增益介质从a切换成c切，此时利用c切增益介质的双折射效应，获得超快矢量环形光束，包括径向偏振光束和角向偏振光束；

20、d.调节平面反射镜的位置，包括平面反射镜与第二平凹镜之间的距离l、以及平面反射镜的俯仰角，获得中红外微米波段的超快矢量涡旋环形光束；

21、e.当调整获得相应的环形光束后，移动第二平凸镜到增益介质之间的距离，使第二平凸镜调节至第二稳区的前边缘位置处，输出功率下降，将迅速扰动平面反射镜、输出耦合镜或者第二平凹镜，输出功率骤然上升，光斑突然变小变亮，实现相应的环形光束的软光阑克尔透镜锁模，获得相应的百飞秒的超快环形激光脉冲；

22、最终利用检测设备对激光脉冲进行测量。

23、进一步的，步骤b中，所述平面反射镜在y-o-z平面偏离2°-3°，超快涡旋环形光束可在腔内稳定传输；

24、步骤c中，平面反射镜在z轴方向微移0.5mm-0.6mm，径向偏振光束可在腔内稳定传输；

25、平面反射镜在z轴方向微移0.8mm-0.9mm，角向偏振光束可在腔内稳定传输。

26、进一步的，所述泵浦光的束腰位于增益介质的中心；

27、激光的束腰位于增益介质中心，或位于增益介质外侧距离3-5mm。

28、进一步的，步骤e中，对激光脉冲进行测量包括输出脉冲的时域特性、重复频率和信噪比、相位特性、光斑强度分布。

29、与现有技术相比，本一种通信用2微米多维度环形超快激光的产生装置及方法，具有以下优点：

30、1、方法的有效性：直接产生多维度超快环形激光，有效扩大通信容量，解决通信容量瓶颈问题；

31、利用空间非共线泵浦技术、c切晶体的双折射效应在腔内直接产生环形光束，包括涡旋光束、矢量光束和矢量涡旋光束三种环形光束，再通过软光阑克尔透镜锁模技术实现百飞秒量级的超快环形光束的输出；采用掺铥增益介质，其铥的增益谱宽高达400nm，产生的飞秒激光带宽达50nm，且直接产生的涡旋光束、矢量光束和矢量涡旋光束具有独特的轨道角动量特性、偏振特性，大大增加信道的维度，从而增加其信道的带宽；

32、2、方法的低成本：装置简单，没有额外的主动调制器件，适合与中红外高功率的应用；

33、利用软光阑克尔锁模机制作为类可饱和吸收体锁模器件，与现有的sesam锁模器件相比，其一、具有较高的损伤阈值，并且对于激光的波长没有限制，有利于更高功率的中红外超快激光输出；其二、具有较大的可调调制深度，这样有利于更短脉冲宽度的中红外激光输出。此外，腔内无需锁模器件(sesams)，这都大大降低装置的成本以及复杂度；

34、3、方法的普适性：装置简单，无需复杂的调节装置，容易量产；

35、直接产生的超快环形激光，无需在腔内放置环形光阑，锁模器件，也无需在腔外放置光束整形器件(slm、q-plate、柱透镜等)，通过对增益介质以及激光腔内的腔镜调节，就可以实现超快环形激光的输出，这都极大地降低装置的复杂度，更容易实现产品的量产；

36、4、产生效果的多样性：实现模式的定制化产生，广泛应用于科研，加工，医疗等领域；

37、通过调整增益介质及腔镜实现对高阶环形光束、径向和角向偏振的自由调控，其独特的相位、偏振特性、轨道角动量特性以及“甜甜圈”空间分布特性，除应用在激光通信领域，在基础科学研究、激光加工、激光医疗等领域同样具有重要的作用。