本發(fā)明屬于固體激光器技術(shù)，特別涉及一種基于雙軸晶體錐形折射環(huán)形光泵浦的高效率一階或更高階的拉蓋爾-高斯光束固體激光器。

背景技術(shù)：

近年來，柱狀矢量光束和渦旋光束愈來愈受到人們的關(guān)注。它們的共同特點(diǎn)是是其光斑的中心強(qiáng)度為零且其振幅可用一階或更高階的拉蓋爾-高斯(Laguerre-Gaussian,LG)函數(shù)來表征。柱狀矢量光束的典型代表包括徑向偏振激光和角向偏振激光，其電場矢量指向光斑橫截面的半徑或者切線方向，在光斑中心存在偏振奇點(diǎn)因而中心振幅為零。渦旋光束是指沿著光傳播方向具有螺旋形波前相位的光束，光斑中心存在相位奇點(diǎn)，這種特性導(dǎo)致該光束具有軌道角動(dòng)量。目前柱狀矢量光束和渦旋光束已經(jīng)廣泛應(yīng)用于原子冷卻和囚禁、粒子導(dǎo)引和捕獲、高分辨顯微等重要領(lǐng)域。

產(chǎn)生柱狀矢量光束或者渦旋光束的方法包括被動(dòng)法和主動(dòng)法。被動(dòng)法主要利用各種光學(xué)元件對腔外激光光束進(jìn)行整形，這些器件包括空間光調(diào)制器、空間光變換延遲器、少模光纖等。然而利用此方法獲得的柱狀矢量光束或者渦旋光束的功率較低(主要受所用器件的損傷閾值所限)，且光束質(zhì)量較差。主動(dòng)法主要是利用激光器直接輸出柱狀矢量光束或者渦旋光束，具有光束質(zhì)量好和功率高等優(yōu)勢。主動(dòng)法通常需要在激光器腔內(nèi)放置軸對稱偏振元件或者衍射光學(xué)元件來迫使激光器產(chǎn)生矢量偏振光束或者渦旋光束振蕩，因此對腔內(nèi)元件的光學(xué)質(zhì)量有較高要求，從而導(dǎo)致成本上升。

然而利用環(huán)形光泵浦的方式可避免使用腔內(nèi)選模元件。環(huán)形泵浦光泵浦固體激光器，是指在激光增益介質(zhì)內(nèi)環(huán)形泵浦光與一階或更高階的拉蓋爾-高斯光束產(chǎn)生空間模式匹配，通過對腔內(nèi)橫模模式的選擇使激光器輸出一階或更高階的拉蓋爾-高斯光束。在該方法中，環(huán)形泵浦光束是多種不同橫向模式的疊加，亮度低，方向 性差，不能很好的進(jìn)行空間傳播，但當(dāng)利用它泵浦固體激光器時(shí)則可產(chǎn)生高功率、高光束質(zhì)量的拉蓋爾-高斯光。目前產(chǎn)生環(huán)形泵浦光的方法包括多模光纖離焦耦合法(Chin.Opt.Lett.,Vol.13No.3,031405,2015)、空心毛細(xì)石英光纖法(Opt.Commun.,Vol.296,P.109,2013)等。但是這些方法總體上來說都存在對環(huán)形泵浦光轉(zhuǎn)換效率不高的問題(約在40％至75％)，從而導(dǎo)致激光器輸出拉蓋爾-高斯光束時(shí)的整體光-光效率不高。

為解決形成環(huán)形泵浦光時(shí)轉(zhuǎn)換效率低的問題，本發(fā)明提出利用雙軸晶體錐形折射產(chǎn)生的環(huán)形光來泵浦固體激光器，從而高效地產(chǎn)生拉蓋爾-高斯光。雙軸晶體的錐形折射(Proc.SPIE,Vol.6994,69940B,2008)是指激光光束聚焦之后通過沿著晶體任意一個(gè)光軸方向切割的雙軸晶體，當(dāng)泵浦光束通過雙軸晶體之后會(huì)在透鏡焦點(diǎn)之后形成環(huán)形的強(qiáng)度分布，其轉(zhuǎn)換效率接近于100％。這有效地減少了利用其它方式形成環(huán)形泵浦光場時(shí)的功率損失，從而更高效地從固體激光器的增益介質(zhì)中提取拉蓋爾-高斯光束的增益。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對環(huán)形光泵浦的拉蓋爾-高斯光束固體激光器，為解決形成環(huán)形泵浦光時(shí)轉(zhuǎn)換效率低的缺陷，通過雙軸晶體中錐形折射將泵浦光高效率的轉(zhuǎn)換為環(huán)形泵浦光，利用其泵浦固體激光器，從而獲得高效率的的拉蓋爾-高斯光束輸出。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種基于錐形折射環(huán)形光泵浦的拉蓋爾-高斯光束固體激光器，其特點(diǎn)在于，包括泵浦源，沿該泵浦源輸出光方向、且同光軸的依次放置的聚焦透鏡、雙軸晶體、激光增益介質(zhì)和激光輸出耦合鏡；所述的雙軸晶體位于聚焦透鏡的一倍焦距以內(nèi)。

在所述的泵浦源與所述的聚焦透鏡之間還可以設(shè)有四分之一波片，且該四分之一波片與所述的泵浦源輸出光同光軸。

所述的泵浦源是輸出為線偏振激光、部分偏振激光、圓偏振激光或者非偏振激光的激光器或者激光器系統(tǒng)。

所述的雙軸晶體是沿著其任意一個(gè)雙軸晶體光軸方向切割的雙軸晶體，其切割方向與泵浦源的輸出光平行。

所述的激光增益介質(zhì)的前表面鍍有激光高反膜和泵浦光增透膜，后表面鍍有激光增透膜，所述的激光高反膜作為激光器輸入耦合鏡與所述的激光輸出耦合鏡構(gòu)成 激光諧振腔。

所述的激光增益介質(zhì)為激光晶體、激光陶瓷或激光玻璃。

所述的激光增益介質(zhì)位于所述的聚焦透鏡的焦點(diǎn)之后雙軸晶體錐形折射輸出圓環(huán)泵浦光中心光強(qiáng)最弱的位置附近。

所述的激光輸出耦合鏡是對于激光部分透射部分反射的平面鏡或者凹面鏡。

上述發(fā)明實(shí)施方案具體如下：

方案一：

一種基于錐形折射環(huán)形光泵浦的拉蓋爾-高斯光束固體激光器，其構(gòu)成包括輸出光束為線偏振光的泵浦源，與泵浦源輸出光同光軸并且沿泵浦光方向依次是四分之一波片、聚焦透鏡、雙軸晶體、激光增益介質(zhì)、激光輸出耦合鏡。所述的泵浦源是輸出為線偏振激光的激光器或者激光器系統(tǒng)。所述的四分之一波片具有旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)四分之一波片使得通過的泵浦光的偏振特性變?yōu)閳A形偏振光。所述的雙軸晶體是沿其中任意一個(gè)光軸方向切割的雙軸晶體，雙軸晶體切割所沿的光軸方向與泵浦光的通光光軸方向平行。這里特別指出，由于雙軸晶體的兩個(gè)光軸方向與波長有關(guān)，切割所沿的雙軸晶體的光軸方向可以準(zhǔn)確對應(yīng)于泵浦光的波長，也可以不對應(yīng)于泵浦光的波長。所述的雙軸晶體位于聚焦透鏡之后一倍焦距以內(nèi)的位置范圍。所述的激光增益介質(zhì)前后表面均有鍍膜，前表面鍍膜包括激光高反膜和泵浦光增透膜，后表面鍍有激光增透膜，增益介質(zhì)前表面鍍有的激光高反膜作為激光器輸入耦合鏡與激光輸出耦合鏡共同構(gòu)成激光諧振腔。所述的激光增益介質(zhì)為激光晶體、激光陶瓷、激光玻璃。所述的激光增益介質(zhì)位于聚焦透鏡焦點(diǎn)之后雙軸晶體錐形折射輸出圓環(huán)泵浦光中心光強(qiáng)最弱的位置附近。所述的激光輸出耦合鏡是對于激光部分透射部分反射的平面鏡或者凹面鏡。

方案二：

一種基于錐形折射環(huán)形光泵浦的拉蓋爾-高斯光束固體激光器，其構(gòu)成包括輸出光束為部分偏振光的泵浦源，與泵浦源輸出光同光軸并且沿泵浦光方向依次是四分之一波片、聚焦透鏡、雙軸晶體、激光增益介質(zhì)、激光輸出耦合鏡。所述的泵浦源是輸出為部分偏振激光的激光器或者激光器系統(tǒng)。所述的四分之一波片具有旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)四分之一波片使得通過的泵浦光的偏振特性變?yōu)閳A形偏振光。所述的雙軸晶體是沿其中任意一個(gè)光軸方向切割的雙軸晶體，雙軸晶體切割所沿的光軸方向與泵浦光的通光光軸方向平行。這里特別指出，由于雙軸晶體的兩個(gè)光軸方向與波長有關(guān)，切割所沿的雙軸晶體的光軸方向可以準(zhǔn)確對應(yīng)于泵浦光的波長，也可以不對應(yīng)于泵浦光的波長。所述的雙軸晶體位于聚焦透鏡之后一倍焦距以內(nèi)的位置范圍。所述的激光增益介質(zhì)前后表面均有鍍膜，前表面鍍膜包括激光 高反膜和泵浦光增透膜，后表面鍍有激光增透膜，增益介質(zhì)前表面鍍有的激光高反膜作為激光器輸入耦合鏡與激光輸出耦合鏡共同構(gòu)成激光諧振腔。所述的激光增益介質(zhì)為激光晶體、激光陶瓷、激光玻璃。所述的激光增益介質(zhì)位于聚焦透鏡焦點(diǎn)之后雙軸晶體錐形折射輸出圓環(huán)泵浦光中心光強(qiáng)最弱的位置附近。所述的激光輸出耦合鏡是對于激光部分透射部分反射的平面鏡或者凹面鏡。

方案三：

一種基于錐形折射環(huán)形光泵浦的拉蓋爾-高斯光束固體激光器，其構(gòu)成包括輸出光束為圓偏振光或者非偏振光束泵浦源，與泵浦源輸出光同光軸并且沿泵浦光方向依次是聚焦透鏡、雙軸晶體、激光增益介質(zhì)、激光輸出耦合鏡。所述的泵浦源是輸出為圓偏振激光或者非偏振激光的激光器或者激光器系統(tǒng)。所述的雙軸晶體是沿其中任意一個(gè)光軸方向切割的雙軸晶體，雙軸晶體切割所沿的光軸方向與泵浦光的通光光軸方向平行。這里特別指出，由于雙軸晶體的兩個(gè)光軸方向與波長有關(guān)，切割所沿的雙軸晶體的光軸方向可以準(zhǔn)確對應(yīng)于泵浦光的波長，也可以不對應(yīng)于泵浦光的波長。所述的雙軸晶體位于聚焦透鏡之后一倍焦距以內(nèi)的位置范圍。所述的激光增益介質(zhì)前后表面均有鍍膜，前表面鍍膜包括激光高反膜和泵浦光增透膜，后表面鍍有激光增透膜，增益介質(zhì)前表面鍍有的激光高反膜作為激光器輸入耦合鏡與激光輸出耦合鏡共同構(gòu)成激光諧振腔。所述的激光增益介質(zhì)為激光晶體、激光陶瓷、激光玻璃。所述的激光增益介質(zhì)位于聚焦透鏡焦點(diǎn)之后雙軸晶體錐形折射輸出圓環(huán)泵浦光中心光強(qiáng)最弱的位置附近。所述的激光輸出耦合鏡是對于激光部分透射部分反射的平面鏡或者凹面鏡。

下面分別結(jié)合上述三種技術(shù)解決方案，闡述本發(fā)明的原理。

方案一：線偏振的泵浦光經(jīng)過四分之一波片后會(huì)變成圓偏振光，一束圓偏振泵浦激光經(jīng)透鏡聚焦后通過沿任意一個(gè)光軸方向切割的雙軸晶體后會(huì)產(chǎn)生內(nèi)錐折射現(xiàn)象，也就是通過雙軸晶體后在一段的距離內(nèi)激光會(huì)變成環(huán)形激光傳播，將激光晶體全部或者部分置于這段環(huán)形激光輸出的范圍內(nèi)，此時(shí)激光晶體與激光輸出耦合鏡一起就形成環(huán)形激光泵浦固體激光器，在超過激光器泵浦閾值之后，繼續(xù)提高泵浦功率，輸出耦合鏡之后就可以獲得拉蓋爾-高斯激光輸出。

方案二：部分偏振的泵浦光經(jīng)過四分之一波片后調(diào)節(jié)四分之一波片的快軸方向，可以使泵浦光變成非偏振光，一束非偏振泵浦激光經(jīng)透鏡聚焦后通過沿任意一個(gè)光軸方向切割的雙軸晶體后會(huì)產(chǎn)生內(nèi)錐折射現(xiàn)象，也就是通過雙軸晶體后在一段的距離內(nèi)激光會(huì)變成環(huán)形激光傳播，將激光晶體全部或者部分置于這段環(huán)形激光輸出的范圍內(nèi)，此時(shí)激光晶體與激光輸出耦合鏡一起就形成環(huán)形激光泵浦固體激光器，在超過激光器泵浦閾值之后，繼續(xù)提高泵浦功率，輸出耦合鏡之后就可以獲得拉蓋爾- 高斯激光輸出。

方案三：圓偏振的或者非偏振的泵浦光經(jīng)透鏡聚焦，然后通過沿任意一個(gè)光軸方向切割的雙軸晶體后會(huì)產(chǎn)生內(nèi)錐折射現(xiàn)象，也就是通過雙軸晶體后在一段的距離內(nèi)激光會(huì)變成環(huán)形激光傳播，將激光晶體全部或者部分置于這段環(huán)形激光輸出的范圍內(nèi)，此時(shí)激光晶體與激光輸出耦合鏡一起就形成環(huán)形激光泵浦固體激光器，在超過激光器泵浦閾值之后，繼續(xù)提高泵浦功率，輸出耦合鏡之后就可以獲得拉蓋爾-高斯激光輸出。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、通過雙軸晶體的錐形折射將泵浦光轉(zhuǎn)換為環(huán)形泵浦光，轉(zhuǎn)換效率接近于100％，轉(zhuǎn)換效率高，從而使泵浦光到輸出拉蓋爾-高斯激光時(shí)的光-光效率高；

2、通過雙軸晶體錐形折射將泵浦光轉(zhuǎn)換為環(huán)形泵浦光，結(jié)構(gòu)簡單，易實(shí)現(xiàn)；

3、通過雙軸晶體錐形折射將泵浦光轉(zhuǎn)換為環(huán)形泵浦光，對溫度環(huán)境沒有特殊要求，不用加冷卻裝置，裝置適應(yīng)性強(qiáng)；

4、本發(fā)明采用的是端泵耦合系統(tǒng)，激光增益介質(zhì)的前表面鍍有的激光高反膜與激光輸出耦合鏡構(gòu)成平平腔或者平凹腔，可以獲得高質(zhì)量的拉蓋爾-高斯光束輸出。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于錐形折射環(huán)形光泵浦的拉蓋爾-高斯光束固體激光器的第一實(shí)施例示意圖。

圖2是本發(fā)明基于錐形折射環(huán)形光泵浦的拉蓋爾-高斯光束固體激光器的第二實(shí)施例示意圖。

圖3是本發(fā)明基于錐形折射環(huán)形光泵浦的拉蓋爾-高斯光束固體激光器的第三實(shí)施例示意圖。

圖中，1-泵浦源、2-四分之一波片、3-聚焦透鏡、4-雙軸晶體、5-激光增益介質(zhì)、6-激光輸出耦合鏡。

具體實(shí)施方式

以下分別結(jié)合所附圖和實(shí)施例對本發(fā)明三種方案實(shí)施方式進(jìn)行說明。

實(shí)施例1：

結(jié)合示意圖1，一種基于雙軸晶體錐形折射環(huán)形光泵浦的高效率一階或更高階 的拉蓋爾-高斯光束固體激光器，包括輸出光束為線偏振光的泵浦源1、四分之一波片2、聚焦透鏡3、雙軸晶體4、激光增益介質(zhì)5和激光輸出鏡6，其中四分之一波片2、聚焦透鏡3、雙軸晶體4、激光增益介質(zhì)5和激光輸出鏡6與輸出光束為線偏振光的泵浦源1的泵浦光同光軸。

泵浦源1發(fā)出的線偏振光通過四分之一波片2后變成圓偏振泵浦光，之后圓偏振泵浦光經(jīng)過聚焦透鏡3聚焦后通過雙軸晶體4后產(chǎn)生錐形折射現(xiàn)象，在雙軸晶體4后的一段距離內(nèi)泵浦光會(huì)變?yōu)榄h(huán)形泵浦光傳播，激光晶體5的全部或者部分置于這段距離之內(nèi)，這樣激光晶體5與后面的激光輸出耦合鏡6就構(gòu)成了環(huán)形光泵浦的固體激光器，在泵浦光達(dá)到閾值產(chǎn)生激光輸出后，繼續(xù)提高功率，就可以獲得拉蓋爾-高斯激光光束輸出。

實(shí)施例2：結(jié)合示意圖2，一種基于雙軸晶體錐形折射環(huán)形光泵浦的高效率一階或更高階的拉蓋爾-高斯光束固體激光器，包括輸出光束為部分偏振光的泵浦源1、四分之一波片2、聚焦透鏡3、雙軸晶體4、激光增益介質(zhì)5和激光輸出鏡6，其中四分之一波片2、聚焦透鏡3、雙軸晶體4、激光增益介質(zhì)5和激光輸出耦合鏡6與輸出光束為部分偏振光的泵浦源1的泵浦光同光軸。

泵浦源1發(fā)出的部分偏振光通過四分之一波片2后，調(diào)節(jié)四分之一波片快軸方向使得泵浦光變成非偏振泵浦光，之后非偏振泵浦光經(jīng)過聚焦透鏡3聚焦后通過雙軸晶體4后產(chǎn)生錐形折射現(xiàn)象，在雙軸晶體4后的一段距離內(nèi)泵浦光會(huì)變?yōu)榄h(huán)形泵浦光傳播，激光晶體5的全部或者部分置于這段距離之內(nèi)，這樣激光晶體5與后面的激光輸出耦合鏡6就構(gòu)成了環(huán)形光泵浦的固體激光器，在泵浦光達(dá)到閾值產(chǎn)生激光輸出后，繼續(xù)提高功率，就可以獲得拉蓋爾-高斯激光光束輸出。

實(shí)施例3：結(jié)合示意圖3，一種是基于雙軸晶體錐形折射環(huán)形光泵浦的高效率一階或更高階的拉蓋爾-高斯光束固體激光器，包括輸出光束為圓偏振光或者非偏振光束泵浦源1、聚焦透鏡3、雙軸晶體4、激光增益介質(zhì)5和激光輸出耦合鏡6，其中聚焦透鏡3、雙軸晶體4、激光增益介質(zhì)5和激光輸出鏡6與輸出光束為圓偏振光或者非偏振光束泵浦源1的泵浦光同光軸。

泵浦源1發(fā)出的非偏振泵浦光經(jīng)過聚焦透鏡3聚焦，然后通過雙軸晶體4后產(chǎn)生錐形折射現(xiàn)象，在雙軸晶體4后的一段距離內(nèi)泵浦光會(huì)變?yōu)榄h(huán)形泵浦光傳播，激光晶體5的全部或者部分置于這段距離之內(nèi)，這樣激光晶體5與后面的激光輸出耦 合鏡6就構(gòu)成了環(huán)形光泵浦的固體激光器，在泵浦光達(dá)到閾值產(chǎn)生激光輸出后，繼續(xù)提高功率，就可以獲得拉蓋爾-高斯激光光束輸出。

上述3個(gè)實(shí)施例中的雙軸晶體4是沿著其任意一個(gè)光軸方向切割的雙軸晶體，雙軸晶體4的切割所沿光軸方向分別與泵浦源的泵浦光的通光光軸方向平行。由于雙軸晶體4的兩個(gè)光軸方向與波長有關(guān)，切割所沿的雙軸晶體4的光軸方向可以準(zhǔn)確對應(yīng)于泵浦光的波長，也可以不對應(yīng)于泵浦光的波長。

激光增益介質(zhì)5可以是激光晶體，比如摻釹的釔鋁石榴石晶體，也可以是激光玻璃或者激光陶瓷。

激光增益介質(zhì)5前表面鍍有泵浦光增透膜和激光高反膜，后表面鍍有激光增透膜，激光增益介質(zhì)5前表面鍍的激光高反膜與激光輸出耦合鏡6共同構(gòu)成本發(fā)明激光器的激光諧振腔。

激光輸出耦合鏡6是對于激光部分透射部分反射的平面鏡或者凹面鏡，用于激光輸出。