基于可控结构化泵浦的结构光非线性变换激光器

：本发明涉及激光泵浦技术、微片脉冲激光技术和倍频激光技术，特别是涉及可控产生复杂横模模式的微片脉冲激光技术。

背景技术

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背景技术：

1、复杂横模输出的激光光束在粒子操纵、光通信和3d打印等领域有着广泛的应用。在粒子操纵中，激光光斑形状是影响粒子定向操纵的主要因素；而在光通信领域中，涡旋光束中光子携带的轨道角动量同光束阶数l成正比。常见的获得高阶横模激光输出的方法主要是通过在谐振腔内添加相位元件或吸收环等元件来得到高阶横模输出，或者采用光纤输出的光束自然具有的环状光束来泵浦实现简单的涡旋结构光束。以上现有技术主要存在结构光束输出简单且无法快速调控的缺点。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、本发明采用空间结构可调控的泵浦光强为激光器提供可变结构化增益分布，进而获得相应的基频结构光束，并结合非线性频率变换技术实现结构光束的空间结构特征变换，最终获得空间结构可自由调控的复杂结构光束输出。以克服传统微片激光器件难以实现可控复杂结构光束输出的问题。微片结构的增益介质在结构化泵浦条件下产生具有相应空间结构分布的初始频率激光。采用腔内被动调q技术获得较高峰值功率的脉冲以达到非线性变换的峰值功率要求，再经过倍频晶体相位匹配实现非线性频率变换激光输出。在激光非线性变换的过程中，不仅激光的频率发生了变换，激光的空间模式同时也发生了变换，从而实现了频率与空间域的双重非线性变换。且变换后的模式为多横模相干叠加状态，从而实现高阶复杂横模模式输出，该模式从近场向远场传输过程中可实现光强分布的连续变化。

2、本发明解决其技术问题采用的技术方案如下：

3、激光器泵浦源的构成：该发明的泵浦源由半导体激光器、扩束准直光学镜组、数字微反射镜器件、电脑、专门设计的二值化几何图案、聚焦透镜构成。首先，半导体激光器输出的泵浦光束由扩束准直镜组整形后入射至数字微反射镜器件的反射阵列上，激光器泵浦源采用与增益晶体吸收相匹配的波长λ1；其次，通过电脑将专门设计的二值化几何图案加载至数字微反射镜器件上，则数字微反射镜器件将实现对入射泵浦光束的选择性反射；最后，数字微反射镜器件选择反射后的泵浦光束经聚焦透镜进入专门设计的微片晶体腔内，实现基于结构泵浦光束的结构化空间增益分布。

4、三明治式激光器谐振腔由三种晶体组成：其中两个为增益介质和可饱和吸收体，用来产生脉冲激光。另一个为倍频晶体，使微片激光器的输出倍频并使横模模式阶数翻倍。为了减小激光器的体积，方便激光器的可集成化，三种晶体都采用微片结构。厚度均不超过1mm，横截面积为5mm*5mm。

5、在结构化增益分布的作用下，激光腔内将产生与增益分布相匹配的振荡横模。当腔内初始λ2激光功率较低时，激光无法通过可饱和吸收体。当激光峰值功率足够高时，初始λ2激光通过可饱和吸收体并经过倍频晶体得到1/2λ2倍频脉冲激光输出，同时输出激光的横模模式产生相应的非线性空间变换。从而实现倍频脉冲高阶横模模式激光输出。增益晶体和倍频晶体外都贴有铜热沉，用以加速微片热传导，保证晶体温度恒定，实现稳定的频率变换。

6、本发明具有的有益效果是：

7、本技术采用特殊的泵浦源与光束空间分布控制元件，实现泵浦光的结构化，从而可以直接产生脉冲式复杂横模模式光束。另外，具有微片结构的增益晶体、可饱和吸收体和倍频晶体，横截面积与厚度都可以控制在毫米量级，极大的缩小了产生激光器的体积，有利于集成化。

技术特征：

1.一种基于可控结构化泵浦的结构光非线性变换激光器装置，所述激光器系统组成装置包括：可控结构的泵浦源和三明治式激光谐振腔。激光器泵浦源的构成：半导体激光器(1)、扩束准直光学镜组(2)、数字微反射镜器件(dmd)(3)、电脑(4)、专门设计的二值化几何图案(5)、聚焦透镜(6)。三明治式激光器谐振腔的构成：增益介质(12)、可饱和吸收体(13)和倍频晶体(15)，其特征在于：为了减小激光器的体积，方便激光器的可集成化，三种晶体都采用微片结构，厚度均不超过1mm。

2.一种基于可控结构化泵浦的结构光非线性变换激光器方法，其特征在于，所述方法应用于如权利要求1所述的基于可控结构化泵浦的结构光非线性变换激光器装置，所述方法包括：ld输出的泵浦光束由扩束准直镜组整形后入射至dmd器件的反射阵列上，激光器泵浦源采用与增益晶体吸收相匹配的波长λ1；

3.根据权利要求1所述一款输出脉冲调q倍频复杂横模输出的微型激光器装置，其特征还在于：采用数字微反射镜器件实现泵浦光束的空间结构化分布以实现激光腔内的结构化增益分布。

4.根据权利要求1所述一款输出脉冲调q倍频复杂横模输出的微型激光器装置，其特征还在于：采用超薄三明治式的微腔结构，将超薄(<1mm)的增益介质、可饱和吸收体和倍频晶体光胶于一体，可以实现超短的腔长和大菲涅尔数泵浦条件，从而易于产生高阶横模模式。

5.根据权利要求1所述一款输出脉冲调q倍频复杂横模输出的微型激光器装置，其特征还在于：在三明治微腔内的倍频晶体采用litao3,这与其他倍频晶体不同，更利于实现超薄条件下的光胶合。

技术总结
本发明专利是一款新型的基于可控结构化泵浦的结构光非线性变换激光器装置。该装置包括可控结构化激光泵浦源和超薄三明治微腔两部分组成。其中泵浦源能够由电脑和数字微反射镜阵列来控制泵浦光束的空间结构，从而在增益晶体内获得相应基频结构光束。超薄三明治微腔包含增益晶体、饱和吸收体和倍频晶体。增益晶体可为多种常用的激光晶体，用以产生结构化基频光，可饱和吸收体用以实现被动调Q产生脉冲输出，倍频晶体为LiTaO<subgt;3</subgt;晶体，用以进行非线性变换。增益晶体和倍频晶体的一侧镀膜构成了谐振腔，外侧均贴有铜热沉以增加微片导热效率保证装置正常工作。本装置能够高度可控得到结构光束的频率与空间同时变换输出，并且装置简单，结构紧凑稳定。

技术研发人员：张子龙,和炜,王昱琪,赵长明
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/6