一种平面空心涡旋光场激光器

1.本发明属于激光技术领域，具体涉及一种平面空心涡旋光场激光器。


背景技术：

2.近年来，人们设计和实现了不同形式的空心激光器，例如，反高斯空心激光器(专利201811357253.9)、双半反高斯空心激光器(专利201811357117.x)、双高斯空心激光器、双半高斯空心激光器(专利201811208397.8)、非均匀偏振空心激光器(专利201910065979.3)，以及多波长空心激光器(专利201910066066.3)等，这些空心激光束既有大暗斑尺寸、高光强对比度，又能使中心暗斑面积传输到远场时保持高的稳定性。空心激光束在扫描成像、激光测距、中性原子激光冷却以及冷原子束的激光准直等领域具有重要的应用前景。若空心光束再具有螺旋形结构的波前相位，则每个光子便携带了轨道角动量，可使其在超分辨显微成像、非线性光学、量子光学、大容量光通信、生物光子学、纳米光子学、微纳加工以及微观粒子和生物细胞的光学操控等领域具有重要的应用前景。最近，人们研制出了不同种类的涡旋相位空心激光器，例如，具有涡旋相位多重模式的空心激光器(专利202111665250.3)，可调涡旋位相拓扑荷数的柱矢量激光器(专利202111663417.2)等。
3.上述的涡旋相位的空心激光器共同点是光束强度呈圆筒形分布，对于圆筒形材料的内侧加工和切割、高精度的平面扫描以及平面抛光等实际需求却无能为力，这限制了涡旋空心光束的应用，而平面光场激光则可以胜任上述的需求，并且激光所携带的涡旋相位又使其对材料的切割效率、抛光质量以及平面扫描的精度均得到提高。


技术实现要素：

4.本发明所为了解决背景技术中存在的技术问题，目的在于提供了一种平面空心涡旋光场激光器。
5.为了解决技术问题，本发明的技术方案是：
6.一种平面空心涡旋光场激光器，包括：光纤耦合输出的半导体激光阵列，还包括沿着射出光束的光轴设置的平凸透镜、轴锥透镜、激光增益介质和轴锥透镜；
7.所述光纤耦合输出的半导体激光阵列为激光器的泵浦源，泵浦源发出的光束经过平凸透镜准直后由轴锥透镜的锥面形成轴对称平行的发散光束，再经过轴锥透镜的凸面聚焦，不同方位的平行光束会聚一点，从2π方向上看在轴锥透镜焦平面上形成一个圆形的聚焦圆环，聚焦圆环光束泵浦激光增益介质激发涡旋相位光场激光在谐振腔内运转。
8.进一步，所述轴锥透镜的锥面和轴锥透镜的圆柱面构成激光器的谐振腔，用于获取中心为圆形的空心平面激光。
9.进一步，所述激光器的泵浦光束耦合系统由平凸透镜和轴锥透镜组成，产生聚焦圆环形光束用于激发涡旋相位激光在腔内运转。
10.进一步，所述轴锥透镜的锥面为谐振腔的输入镜，其锥面对泵浦光镀增透膜，同时锥面对激光镀高反射膜，凸面对泵浦光镀增透膜；所述轴锥透镜的圆柱面为谐振腔的输出
耦合镜，凸面对镀激光增透膜，锥面对激光镀反射膜，圆柱面对激光镀透过率为5-10％的介质膜。
11.进一步，所述激光增益介质置于轴锥透镜和轴锥透镜两个凸面的共同焦平面上，其通光面对泵浦光和激光镀增透膜。
12.进一步，所述轴锥透镜锥面的锥角α、凸面的焦距f1、折射率n与泵浦焦环半径r满足cos(α/2)＝nsin[α-tan-1
(r/f1)]关系。
[0013]
进一步，所述轴锥透镜锥面的锥角β，凸面的焦距f2与泵浦焦环半径r满足r＝f2/tanβ关系。
[0014]
进一步，所述轴锥透镜锥面的锥角α、凸面的焦距f1、折射率n与轴锥透镜锥面的锥角β，凸面的焦距f2满足：
[0015]
cos(α/2)＝nsin[α-tan-1
(f2/f1tanβ)]关系。
[0016]
与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0017]
本发明采用平面空心光场激光则可以克服背景技术的缺陷，即本发明可以实现圆筒形材料内侧加工和切割以及高精度的平面抛光和平面扫描，并且平面空心激光所携带的涡旋相位又使其对材料的加工和切割的效率、平面抛光质量和平面扫描的精度均得到提高。
附图说明
[0018]
图1为本发明的激光器结构示意图；
[0019]
图2为平面空心涡旋光场激光分布示意图(箭头为激光的传播方向)。
具体实施方式
[0020]
下面结合实施例描述本发明具体实施方式：
[0021]
需要说明的是，本说明书所示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
[0022]
同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
[0023]
实施例1：
[0024]
本发明提供一种平面空心涡旋光场激光器，激光器输出光束为圆形的空心平面涡旋光场。本发明是通过以下技术方案来实现的：一种平面空心涡旋光场激光器，如图1所示，从左至右依次设置包括光纤耦合输出的半导体激光阵列1、平凸透镜2、轴锥透镜3、激光增益介质4和轴锥透镜5。光纤耦合输出的半导体激光阵列1为激光器的泵浦源；泵浦光束耦合系统由平凸透镜2和轴锥透镜3组成，泵浦源发出的光束经过平凸透镜2准直后由轴锥透镜3的锥面形成轴对称平行的发散光束，再经过轴锥透镜3的凸面聚焦，不同方位的平行光束会聚一点，从2π方向上看在轴锥透镜3焦平面上形成一个圆形的聚焦圆环，聚焦圆环光束泵浦激光增益介质4激发涡旋相位光场激光在谐振腔内运转；轴锥透镜3的锥面和轴锥透镜5的
圆柱面构成激光器的谐振腔，用于获取中心为圆形的空心平面激光，图2为平面空心激光分布示意图。轴锥透镜3的锥面为谐振腔的输入镜，其锥面对泵浦光镀增透膜，同时锥面对激光镀高反射膜，凸面对泵浦光镀增透膜；轴锥透镜5的圆柱面为谐振腔的输出耦合镜，凸面对镀激光增透膜，锥面对激光镀反射膜，圆柱面对激光镀透过率为5-10％的介质膜；为了获得最佳的功率密度以及泵浦光和激光的模式匹配，激光增益介质4置于轴锥透镜3和轴锥透镜5两个凸面的共同焦平面上，其通光面对泵浦光和激光镀增透膜。
[0025]
设激光器的泵浦焦环的半径为r，轴锥透镜3的折射率为n，凸面的焦距为f1，锥面的锥角为α，泵浦光束经过轴锥透镜3锥面的折射角为ρ，折射光线与激光器系统水平轴线的夹角为ω1，为了满足谐振腔内激光垂直轴锥透镜3的锥面则有：
[0026]
sin[(π-α)/2]＝nsinρ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0027]
ω1＝α-ρ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0028]
r＝f1tanω1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0029]
联立方程1-3可得
[0030]
cos(α/2)＝nsin[α-tan-1
(r/f1)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0031]
设轴锥透镜5凸面的焦距为f2，锥面的锥角为β，腔内激光经轴锥透镜5凸面偏折角为ω2，腔内激光在轴锥透镜5的锥面上的入射角为θ，为了满足谐振腔内激光垂直轴锥透镜5的圆柱面，则有：
[0032]
r＝f2tanω2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0033]
ω2+2θ＝π/2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0034]
θ＝β/2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0035]
联立方程5-7可得
[0036]
r＝f2/tanβ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0037]
为了获得平面空心涡旋光场激光在谐振腔内运转，并使得激光从轴锥透镜5的圆柱面输出，联立方程4和8可得：
[0038]
cos(α/2)＝nsin[α-tan-1
(f2/f1tanβ)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0039]
实施例2：
[0040]
具体可采用以下单元器件实现平面空心涡旋光场激光器：光纤耦合半导体激光阵列1的输出波长为808nm，光纤芯直径为400μm，数值孔径为0.22；平凸透镜2的焦距为200mm，其通光面镀808nm增透膜；轴锥透镜3由k9玻璃n＝1.52制成，其锥角α＝70
°
，凸面的焦距为58mm，锥面和凸面镀808nm增透膜，同时锥面镀1064nm高反射膜；激光增益介质4由nd:yag晶体制成，1.0％的nd
3+
掺杂浓度，其通光面镀808nm和1064nm的增透膜；对泵浦源和nd:yag晶体进行tec致冷，温度控制在15
°±
0.5
°
范围；轴锥透镜5由k9玻璃制成，其锥角β＝60
°
，凸面的焦距为50mm，凸面镀1064nm增透膜，锥面镀1064nm高反射膜，圆柱面对1064nm镀透过率为10％的介质膜。
[0041]
实施例3：
[0042]
具体可采用以下单元器件实现平面空心涡旋光场激光器：光纤耦合半导体激光阵列1输出波长为940nm，光纤芯直径为400μm，数值孔径为0.22；平凸透镜2的焦距为200mm，其通光面镀808nm增透膜；轴锥透镜3由石英玻璃n＝1.46制成，其锥角α＝80
°
，凸面的焦距为11mm，锥面和凸面镀940nm增透膜，同时锥面镀1030nm高反射膜；激光增益介质4由yb:yag晶
体制成，0.5％的yb
3+
掺杂浓度，其通光面镀940nm和1030nm的增透膜；对泵浦源和yb:yag晶体进行tec致冷，温度控制在15
°±
0.5
°
范围；轴锥透镜5由石英玻璃制成，其锥角β＝50
°
，凸面的焦距为15mm，凸面镀1030nm增透膜，锥面镀1030nm高反射膜，圆柱面对1030nm镀透过率为5％的介质膜。
[0043]
上面对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
[0044]
不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

技术特征：
1.一种平面空心涡旋光场激光器，其特征在于，包括：光纤耦合输出的半导体激光阵列(1)，还包括沿着射出光束的光轴设置的平凸透镜(2)、轴锥透镜(3)、激光增益介质(4)和轴锥透镜(5)；所述光纤耦合输出的半导体激光阵列(1)为激光器的泵浦源，泵浦源发出的光束经过平凸透镜(2)准直后由轴锥透镜(3)的锥面形成轴对称平行的发散光束，再经过轴锥透镜(3)的凸面聚焦，不同方位的平行光束会聚一点，从2π方向上看在轴锥透镜(3)焦平面上形成一个圆形的聚焦圆环，聚焦圆环光束泵浦激光增益介质(4)激发涡旋相位光场激光在谐振腔内运转。2.根据权利要求1所述的一种平面空心涡旋光场激光器，其特征在于，所述轴锥透镜(3)的锥面和轴锥透镜(5)的圆柱面构成激光器的谐振腔，用于获取中心为圆形的空心平面激光。3.根据权利要求1所述的一种平面空心涡旋光场激光器，其特征在于，所述激光器的泵浦光束耦合系统由平凸透镜(2)和轴锥透镜(3)组成，产生聚焦圆环形光束用于激发涡旋相位激光在腔内运转。4.根据权利要求1所述的一种平面空心涡旋光场激光器，其特征在于，所述轴锥透镜(3)的锥面为谐振腔的输入镜，其锥面对泵浦光镀增透膜，同时锥面对激光镀高反射膜，凸面对泵浦光镀增透膜；所述轴锥透镜(5)的圆柱面为谐振腔的输出耦合镜，凸面对镀激光增透膜，锥面对激光镀反射膜，圆柱面对激光镀透过率为5-10％的介质膜。5.根据权利要求1所述的一种平面空心涡旋光场激光器，其特征在于，所述激光增益介质(4)置于轴锥透镜(3)和轴锥透镜(5)两个凸面的共同焦平面上，其通光面对泵浦光和激光镀增透膜。6.根据权利要求1所述的一种平面空心涡旋光场激光器，其特征在于，所述轴锥透镜(3)锥面的锥角α、凸面的焦距f1、折射率n与泵浦焦环半径r满足cos(α/2)＝nsin[α-tan-1
(r/f1)]关系。7.根据权利要求1所述的一种平面空心涡旋光场激光器，其特征在于，所述轴锥透镜(5)锥面的锥角β、凸面的焦距f2与泵浦焦环半径r满足r＝f2/tanβ关系。8.根据权利要求1所述的一种平面空心涡旋光场激光器，其特征在于，所述轴锥透镜(3)锥面的锥角α、凸面的焦距f1、折射率n与轴锥透镜(5)锥面的锥角β、凸面的焦距f2满足cos(α/2)＝nsin[α-tan-1
(f2/f1tanβ)]关系。

技术总结
本发明公开了一种平面空心涡旋光场激光器，包括光纤耦合输出的半导体激光阵列(1)、平凸透镜(2)、轴锥透镜(3)、激光增益介质(4)和轴锥透镜(5)。光纤耦合输出的半导体激光阵列(1)为激光器的泵浦源；泵浦光束耦合系统由平凸透镜(2)和轴锥透镜(3)组成，产生聚焦圆环形光束用于激发涡旋相位激光在谐振腔内运转；轴锥透镜(3)锥面和轴锥透镜(5)圆柱面构成激光器的谐振腔，用于获取中心为圆形的空心平面涡旋光场激光。平面空心涡旋光场激光可以用于圆筒形材料的内侧加工和切割、高精度的平面扫描或平面抛光等领域。面抛光等领域。面抛光等领域。


技术研发人员：吕彦飞 夏菁 李雨昭 杨睿 史衍丽 张晋
受保护的技术使用者：云南大学
技术研发日：2023.06.26
技术公布日：2023/8/14