一种直接产生窄线宽涡旋激光的装置的制作方法

本发明属于光学技术领域，更具体地，涉及一种直接产生窄线宽涡旋激光的装置。

背景技术

涡旋光束具有奇特的相位分布结构，在与传播方向垂直的截面上呈现涡旋型分布，而在光强分布上通常显示出具备中心暗点的环形光束。与普通的高斯光束相比，除了相位和光强分布上的特点外，涡旋光束还具备特殊的轨道角动量。目前，该类型光束已经被广泛应用于超显微成像、光操控、高容量的光通信、量子信息学与非线性光学等技术中。尤其在光通信方面，涡旋光的轨道角动量已被作为信息载体，用于有效提高空间或者光纤中的信号通道，实现高容量的激光通信系统。而具备窄线宽特性的涡旋光可以进一步提高激光的相干性，有利于实现高带宽的激光通信。

涡旋光束的产生方法包括使用光学转换元件和直接腔内产生两种方式。光学转换元件有螺旋相位板、计算全息板、空间光调制器、柱透镜对等模式转换件，该转换件也可用于产生涡旋光的激光谐振腔内部。而另一种直接产生涡旋激光的方法，则采用环形光泵浦激光腔、在激光腔内部添加孔缺陷元件、利用光热效应和偏轴泵浦方式。而窄线宽的涡旋激光，则对涡旋光束产生方法提出了额外的要求。例如，基于光学转换元件的激光光束本身必须具备窄线宽特性。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的是解决直接产生单频窄线宽涡旋激光的技术难题，克服现有基于多个光学元器件产生窄线宽涡旋光束系统复杂性的不足，提出一种能够在具备高稳定性和简单紧凑性同时产生窄线宽单频涡旋激光的装置，该装置还具备操作简单、稳定性高的特点。

本发明提供了一种直接产生窄线宽涡旋激光的装置，包括：单片激光腔、磁场施加模块、泵浦激光模块和透镜模块，所述单片激光腔采用稀土掺杂晶体作为增益介质，用于产生激光模式；所述磁场施加模块用于产生与所述单片激光腔的腔体平面平行的恒定的磁场，并施加在所述单片激光腔上以法拉第磁致旋光的方式使得不同方向的激光模式产生损耗差，从而提供单向出光所必须的条件；所述泵浦激光模块用于发射泵浦激光并激发所述增益介质中稀土离子的粒子数反转产生激光产生所需的光放大，以实现涡旋激光发射；所述透镜模块用于实现对泵浦激光的聚焦耦合以及对涡旋激光的准直输出。

更进一步地，泵浦激光模块发射的泵浦激光经透镜模块聚焦耦合后偏轴入射至所述单片激光腔上，并被所述增益介质吸收产生粒子数反转。

更进一步地，单片激光腔包括：三个不平行的全反射边界面，以及一个激光波段高反射且泵浦波段消反的镀膜面。

其中，当激光光束入射到单片激光腔的边界面处时进行第一次全反射后形成第一反射光，第一反射光经第二次全反射后形成第二反射光，第二反射光经第三次全反射后形成第三反射光，第三反射光回到入射面处，由于镀膜产生高反射与激光光束重合且相位满足谐振条件产生激光模式。

更进一步地，激光光束和所述第三反射光位于同一平面，且所述第一反射光和所述第二反射光分别位于与所述激光光束不同的平面内。

其中，经透镜模块聚焦耦合后的激光光束在单片激光腔内一个光程中入射到其他三个非镀膜面时的入射角度大于等于激光光束从介质到空气产生全反射时的临界角。

作为本发明的一个实施例，入射角度范围为30°～45°。

现有产生涡旋激光的方式需要使用类似模式转换的辅助光学元件，而可通过腔内直接产生连续涡旋激光的技术所获得的激光线宽一般在mhz量级以上。本发明所构思的激光器装置与现有技术相比具备的主要优点：(1)激光腔和增益介质为单片的高品质激光晶体，且无需使用额外的辅助光学元件；(2)所产生的涡旋激光为单频连续激光，线宽可达到1khz量级。因此，本发明装置可以在具备结构简单、体积小和重量轻的同时，产生具有高相干性的连续涡旋激光，在激光计量和光通信等领域有较好的潜在应用。

附图说明

图1是本发明实施例提供的窄线宽涡旋激光装置的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的激发涡旋光模式的泵浦方式示意图。

图3是单片激光腔内涡旋光模式形成的原理示意例图。

图4是本发明产生的+1阶窄线宽涡旋激光的光强图(左)与叉形干涉图(右)。

图5是本发明产生的-1阶窄线宽涡旋激光的光强图(左)与叉形干涉图(右)。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现有窄线宽涡旋激光的产生方式通常要求在已有窄线宽激光光源的基础上使用额外的光学转换元件，因而不具备简易性。本发明针对这个技术问题，提出在不使用任何额外光学转换元件的基础上直接在单片式激光腔上产生窄线宽涡旋激光的装置。该装置具备简易且紧凑的特点，能够利用普通的泵浦激光直接激发出窄线宽的涡旋激光。

本发明公开了一种在单片式非平面环形激光腔中直接产生窄线宽单频涡旋激光光束的装置。该装置产生的涡旋激光所具备光谱线宽一般在1khz-10khz范围内，因此能够用于精密测量和相干光通信等应用中。

本发明提供的窄线宽单频涡旋光产生装置包括：单片激光腔、磁场施加模块、泵浦激光模块和透镜模块，其中，单片激光腔可采用稀土掺杂晶体作为增益介质，同时以非平面环形谐振腔的结构支持高品质因子(即低损耗)的激光模式的产生；磁场施加模块可以使用永磁铁或通电线圈等方式去产生恒定的磁场，以法拉第磁致旋光的方式使得不同方向的激光模式产生损耗差，从而提供单向出光所必须的条件；泵浦激光模块用于激发增益介质中稀土离子的粒子数反转产生激光产生所需的光放大，以实现涡旋激光发射；透镜模块用于对泵浦激光的聚焦耦合和对涡旋激光的准直输出。

单片激光腔包括：单块的激光腔，可以是由拉曼材料、稀土掺杂材料和半导体等具有费尔德常数的增益介质制备。该腔体直接在材料上进行加工，以产生非平面的激光谐振结构，一般由三个不平行的全反射边界面和一个激光波段高反射、泵浦波段消反的镀膜面形成。

磁场施加模块用于产生恒定磁场，其方向与腔体入射与出射光所在平面平行，目的在于利用磁致旋光效应使得光在介质中传播时产生光振动方向的偏转，从而使得顺时针与逆时针的环形谐振模式产生损耗差，以保证激光腔体的单向稳定出光；其结构具体可以为：使用单片或两片永磁铁，使得磁场方向与腔体平面平行；或者使用亥姆霍兹线圈产生相同方向的磁场。

泵浦激光模块可以采用自由空间输出或者光纤耦合输出的半导体二极管或者固体激光器，其输出波长应该与激光能级跃迁所需的泵浦光源一致。

透镜模块包括：聚焦耦合透镜2和准直输出透镜模块4，聚焦耦合透镜2用于对泵浦激光模块1产生的泵浦激光聚焦后输出；准直输出透镜模块4用于对顺时针方向单向激光光束7进行准直后输出。

本发明使用普通的泵浦激光聚焦泵浦单片非平面环形腔结构的激光腔体，通过偏轴调节的方式选择性地激发高品质激光腔内部的涡旋光模式，以实现单频涡旋激光的直接产生。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的直接产生涡旋光束的装置，现结合附图及具体实例详述如下：

如图1所示，直接产生涡旋光束的装置包括：单片激光腔3、磁场施加模块、泵浦激光模块1、聚焦耦合透镜2和准直输出透镜模块4，聚焦耦合透镜2设置在泵浦激光模块1的出射光路上且聚焦耦合透镜2的出射光入射至单片激光腔3的入射面，该入射光经过多次全反射后出射的光经过准直输出透镜模块4准直后输出。

如图2所示，本发明中的入射光通过偏轴入射到单片激光腔3上，在入射镀膜面301上形成泵浦光斑601；在保证入射光的入射角度符合腔体谐振模式角度要求时，通过移动图1中泵浦光束6、透镜2或者腔体3的位置，使得泵浦光斑601偏离镀膜面301的中心，移到环形光斑705内。以尺寸8mm×10mm×3mm的腔体为例，偏离中心的距离大致在30μm-200μm范围内。详细步骤如下所示：

首先，我们通过透镜2将空间输出的泵浦激光光束6聚焦到单片激光腔体3的入射镀膜面301上。通过计算单片激光腔3中光学模式的横截面光斑尺寸，设计聚焦泵浦光光斑601的直径，使其等于或略小于计算值以达到好的模式匹配。

其次，泵浦光耦合到激光腔3中将被增益材料吸收产生粒子数反转。该泵浦光的入射角度需调节至满足单片非平面环形腔的设计角度，即激光光束在腔内一个光程中入射到其他三个非镀膜面时，其角度满足大于等于光从介质到空气产生全反射临界角的条件。通常，这个角度范围可以是30°～45°。此时，腔体中激光模式产生谐振，其模式的特点是：产生的激光光束701入射到激光腔3的边界面处进行第一次全反射后形成第一反射光702，第一反射光702进行第二次全反射后形成第二反射光703，第二反射光703经过第三次全反射后形成第三反射光704，第三反射光704回到入射面处，由于镀膜产生高反射与激光光束701重合且相位满足谐振条件产生激光模式。

其中，激光光束701和第三反射光704位于同一平面，而第一反射光702和第二反射光703彼此位于与激光光束701不同的平面内。通过施加恒定磁场5使得腔内光束的振动方向产生法拉第磁光旋转，从而产生顺时针方向单向激光光束7的出射。

在本发明实施例中，三个角度可以不相同，但是通常都是对称性设计，也就是说如图1所示的激光光束701至第一反射光702与第二反射光703至第三反射光704的入射角相同，第一反射光702至第二反射光703的入射角一般与其他入射角不同。

偏轴泵浦方式的实施，可以先将泵浦光斑601优化到面301的中心，随后，通过调节泵浦光束6、透镜2或者腔体3的位置(即调偏光斑601在面301上的位置)，并检测输出光斑的干涉图案以确定涡旋光到的输出。基于传统干涉法检验观察涡旋光的方法，一般当观测到叉形、涡旋或花瓣形干涉图案时，可确定涡旋激光的产生。图4和图5为我们实验上获得的拓扑荷数为±1的涡旋激光输出图。其中，左图为成像设备上测得的光束光强分布，右图则为通过与近平面波相干产生的叉形干涉图。由干涉图可以得出涡旋光的拓扑荷数。最后，通过使用准直输出透镜模块4对单向激光光束7进行准直输出。

单片激光腔中涡旋光产生的原理示意例图如图3所示。典型的涡旋拉盖尔-高斯lg01模可以看出为两种高阶厄米高斯光学模式hg01的叠加。对于非平面的环形腔体，hg01模式在传播过程中，由于非平面反射而发生光斑旋转，于是可看成不同hg01模式叠加而成的lg01涡旋模式在该类型的环形腔体中生产。因此，通过将泵浦光光斑偏轴至与该模式有较好空间重合处时，涡旋激光模式可以被激发出来。

由于本发明中使用到的单片非平面环形谐振腔可无需额外辅助元件便能支持高品质的涡旋光模式，因此本发明能够进一步减少不必要的额外辅助元件，具备更小体积及更稳定的优势。同时，通过在301面的激光波段高反镀膜，结合该类型单片激光腔光环路中利用到的全反射，该激光腔可具备较低的环路损耗即较好的品质因子，因此基于本发明产生的单频涡旋激光线宽可达到1khz量级。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。