一种基于晶体圆锥镜可调谐双高斯空心激光器

摘要

本发明提供了一种基于晶体圆锥镜可调谐双高斯空心激光器，包括：输出耦合镜、激光增益介质、泵浦源、空心晶体圆锥镜和空心玻璃圆锥镜；泵浦源发出的激光束，采用侧面泵浦方式耦合到激光增益介质内，空心玻璃圆锥镜为谐振腔的反射镜，平凹镜为谐振腔的输出镜，空心晶体圆锥镜为激光波长调谐和强度分布变换元件。腔内光束以布儒斯特角θB入射到空心晶体圆锥镜的外侧面，空心晶体圆锥镜的锥角为γ＝π‑2θB，且切掉锥角部分，空心晶体圆锥镜的内侧母线与外侧母线平行，空心晶体圆锥镜的光轴平行于空心晶体圆锥镜底面。本发明有点在于：使激光束在经过激光输出耦合镜后其光强分布发生了变化；可实现双高斯空心激光波长调谐。

权利要求

1.一种基于晶体圆锥镜可调谐双高斯空心激光器，其特征在于，包括：输出耦合镜(1)、激光增益介质(2)、泵浦源(3)、空心晶体圆锥镜(4)和空心玻璃圆锥镜(5)；

泵浦源(3)发出的激光束，采用侧面泵浦方式耦合到激光增益介质(2)内，空心玻璃圆锥镜(5)为谐振腔的反射镜，输出耦合镜(1)由平凹镜制成，空心晶体圆锥镜(4)为激光波长调谐和强度分布变换元件；

腔内光束以布儒斯特角θB入射到空心晶体圆锥镜(4)的外侧面，θB＝56.2°，空心晶体圆锥镜(4)的锥角为γ＝π-2θB，且切掉锥角部分，空心晶体圆锥镜(4)的内侧母线与外侧母线平行，空心晶体圆锥镜(4)的光轴平行于空心晶体圆锥镜(4)底面；

空心晶体圆锥镜(4)采用KDP晶体制成，锥角为67.6°，该角度可使入射到空心晶体圆锥镜(4)母线上的角度为布儒斯特角56.2°；锥底面到顶面的距离d2＝12mm，空心晶体圆锥镜(4)的内外侧母线的距离d1＝3mm，内侧镀520-730nm高反射膜，外侧镀520-730nm增透膜；

空心玻璃圆锥镜(5)作为谐振腔的反射镜由K9玻璃制成，锥角为112.4°，内侧镀520-

730nm高反射膜，内外侧母线之间的距离为2mm。

2.根据权利要求1所述的一种基于晶体圆锥镜可调谐双高斯空心激光器，其特征在于：泵浦源(3)为发射波长为479.5nm的60W半导体激光阵列。

3.根据权利要求1所述的一种基于晶体圆锥镜可调谐双高斯空心激光器，其特征在于：输出耦合镜(1)为平凹镜，是谐振腔的输出镜，凹面的曲率半径为500mm，通光面的两侧对

520-730nm波段镀3.5％的透过率。

说明书

一种基于晶体圆锥镜可调谐双高斯空心激光器

技术领域

[0001] 本发明涉及激光技术领域，特别涉及一种获得可调谐的较大空心区域双高斯强度分布的空心激光器。

背景技术

[0002] 激光器输出光强通常为高斯分布，如图1所示，在实际应用中需要对光束光强分布进行整形，而空心光束除了具有激光频率、激光功率和光束发散角等激光束的一般参数外，还具有暗斑尺寸、光束宽度、光束半径和宽度半径比等一些特殊的参数。各类空心光束都有其独特的物理性质，如光强度呈圆筒形分布、很小的暗斑尺寸、无加热效应、传播不变性以及具有自旋与轨道角动量等，这些性质使得空心光束在激光光学、光信息处理、微粒波导、同位素分离、微电子学和材料科学、生物技术、医学以及原子学、分子学等领域中有着广泛的应用前景[1]。人们已经利用不同光束整形的方法[2-6]研制出了各种光强分布形式的空心光束。然而利用光束整形方法获得的空心光束共同点基本都是理论上只有光束中心上的一点光强才为零，并且此类光束中心强度为零的点具有相位不确定性，光强分布存在着严重的托尾现象而导致了空心光束“空心不空”[7]。此外，利用光束整形方法使激光束原有的相干性和光强对比度都遭到破坏，因此无法获得高光强对比度的空心光束，而高光强对比度的空心光束在微观粒子的光学操控、光信息处理和材料科学等领域具有重要的应用。

[0003] 参考文献

[0004] [1]印建平,刘南春,夏勇,恽旻,空心光束的产生及其在现代光学中的应用,物理学进展,24(3),336-380(2004)；

[0005] [2]R.M.Herman and T.A.Wiggins,Production and uses of diffractionless beams,J.Opt.Soc.Am.A 8,932-942(1991)；

[0006] [3]H.S.Lee，B.W.Aiewart，K.Choi，H.Feniehel，Holographic nondiverging hollow beam,Phys.Rev.A 49,4922-4927(1994)；

[0007] [4]C.Paterson and R.Smith,Higher-order Bessel waves produced by axicon-type computer-generated holograms,Opt.Commun.124,121-130(1996)；

[0008] [5]M.A.Golub,N.L.Kazansky,I.N.Sisakian,V.A.Soifer,Diffraction-based design of optical element focusing onto a ring,Avtometriya,6,6-15(1987)；

[0009] [6]N.L.Kazansky,Studies of diffraction characteristics of a focus ator onto a ring using numerical simulation,Comput.Opt.10-11,128-1440(1992)；

[0010] [7]董渊,张喜和,金光勇,凌铭,宁国斌,锥状双半高斯空心光束退衍射远场传输特性研究,中国科学G辑,40,338-342(2010)；

[0011] [8]T.Y.Fan,in Solid State Lasers,New Developments and App lications,M.Inguscio and R.Wallenstein,eds.(Plenum,New York,1993),p.189。

发明内容

[0012] 本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种基于晶体圆锥镜可调谐双高斯空心激光器，能有效的解决上述现有技术存在的问题。

[0013] 为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

[0014] 一种基于晶体圆锥镜可调谐双高斯空心激光器，包括：输出耦合镜1、激光增益介质2、泵浦源3、空心晶体圆锥镜4和空心玻璃圆锥镜5；

[0015] 泵浦源3发出的激光束，采用侧面泵浦方式耦合到激光增益介质2内，空心玻璃圆锥镜5为谐振腔的反射镜，平凹镜1为谐振腔的输出镜，空心晶体圆锥镜4为激光波长调谐和强度分布变换元件。

[0016] 腔内光束以布儒斯特角θB入射到空心晶体圆锥镜4的外侧面，θB＝56.2°，空心晶体圆锥镜4的锥角为γ＝π-2θB，且切掉锥角部分，空心晶体圆锥镜4的内侧母线与外侧母线平行，空心晶体圆锥镜4的光轴平行于空心晶体圆锥镜4底面。

[0017] 进一步地，泵浦源3为发射波长为479.5nm的60W半导体激光阵列；

[0018] 进一步地，空心晶体圆锥镜4采用KDP晶体制成，锥角为67.6°，该角度可使入射到空心晶体圆锥镜4母线上的角度为布儒斯特角56.2°；锥底面到顶面的距离d2＝12mm，空心晶体圆锥镜4的内外侧母线的距离d1＝3mm，内侧镀520-730nm高反射膜，外侧镀520-730nm增透膜；

[0019] 进一步地，空心玻璃圆锥镜5作为谐振腔的反射镜由K9玻璃制成，锥角为112.4°，内侧镀520-730nm高反射膜，内外侧母线之间的距离为2mm；

[0020] 进一步地，输出耦合镜1为平凹镜，是谐振腔的输出镜，凹面的曲率半径为500mm，通光面的两侧对520-730nm波段镀3.5％的透过率。

[0021] 与现有技术相比本发明的优点在于：采用了晶体圆锥镜，使激光束在经过激光输出耦合镜后其光强分布发生了变化，即激光束的中心具有较大光强为零区域，并且向外呈反高斯分布逐渐增强，到达最强后再呈高斯分布衰减。此外，通过旋转圆锥镜可实现双高斯空心激光波长调谐。双高斯空心激光器在微观粒子的光学操控、光信息处理、材料科学、被动光学测距、隐身测距和隐形控制、扫描成像以及光通信等领均具有重要的应用前景。

附图说明

[0022] 图1为传统激光器输出高斯光束横截面上光强分布示意图；

[0023] 图2为本发明实施例激光器输出双高斯空心激光束横截面上光强分布示意图；

[0024] 图3为本发明实施例激光器的结构示意图。

[0025] 图4为本发明实施例Pr3+:LiYF4晶体在π偏振跃迁的光谱图。

[0026] 图5为本发明实施例晶体圆锥镜旋转角α与波长λ的透过率关系曲线。

[0027] 图6为本发明实施例波长λ的阈值与晶体圆锥镜旋转角α关系曲线。

具体实施方式

[0028] 为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。

[0029] 一种基于晶体圆锥镜可调谐双高斯空心激光器，包括：输出耦合镜1、激光增益介质2、泵浦源3、空心晶体圆锥镜4和空心玻璃圆锥镜5；

[0030] 泵浦源3发出的激光束，采用侧面泵浦方式耦合到激光增益介质2内，空心玻璃圆锥镜5为谐振腔的反射镜，平凹镜1为谐振腔的输出镜，空心晶体圆锥镜4为激光波长调谐和强度分布变换元件。

[0031] 腔内光束以布儒斯特角θB入射到空心晶体圆锥镜4的外侧面，空心晶体圆锥镜4的锥角为γ＝π-2θB，且切掉锥角部分，空心晶体圆锥镜4的内侧母线与外侧母线平行，空心晶体圆锥镜4的光轴平行于其底面。

[0032] 泵浦源3为发射波长为479.5nm的60W半导体激光阵列，采用侧面泵浦方式耦合到激光增益介质2为0.4％掺杂的Pr3+:LiYF4晶体内，Pr3+:LiYF4晶体的尺寸为Φ3mm×10mm，两端镀479.5nm和520-730nm增透膜，利用水冷系统对Pr3+:LiYF4晶体制冷，使晶体温度控制在20°±0.5°；

[0033] 空心晶体圆锥镜4采用KDP晶体制成，锥角为67.6°，该角度可使入射到空心晶体圆锥镜4母线上的角度为布儒斯特角56.2°；

[0034] 锥底面到顶面的距离d2＝12mm如图3所示，空心晶体圆锥镜4的内外侧母线的距离d1＝3mm，内侧镀520-730nm高反射膜，外侧镀520-730nm增透膜；

[0035] 空心玻璃圆锥镜5作为谐振腔的反射镜由K9玻璃制成，锥角为112.4°，该角度可使光束垂直入射到空心玻璃圆锥镜内侧母线上，内侧镀520-730nm高反射膜，空心玻璃圆锥镜的内外侧母线之间的距离为2mm；

[0036] 输出耦合镜1为平凹镜，是谐振腔的输出镜，凹面的曲率半径为500mm，通光面的两侧对520-730nm波段镀3.5％的透过率。

[0037] 基于晶体圆锥镜可调谐双高斯空心激光器的工作原理：由于玻璃空心圆锥镜5每一条母线与输出耦合镜1都构成激光谐振腔，因此在垂直系统轴线x轴的每一个方位上均为高斯光束，最后形成的光束为：从中心向外呈反高斯分布逐渐增强，到达最强后再呈高斯分布衰减，在光束截面上看为双高斯强度分布。当晶体圆锥镜切掉锥角部分增大，双高斯光束的空心区域也随着增大。

[0038] 当光束以布儒斯特角θB入射到晶体时，由于晶体的双折射滤光效应，激光波长的透射系数t可下面由本征方程(1)求得

[0039]

[0040] 式(1)中M为往返矩阵，为光矢量。

[0041] 由激光束传输理论往返矩阵M可由写成

[0042]

[0043] 式(2)中 为在激光束经过晶体中o光和e光的位相差，α为旋转角，d1为空心晶体圆锥镜内外侧母线之间的距离，q1＝2n/(1+n2)，n为晶体的折射率。

[0044] 激光波长的透过率可以写成

[0045] T＝|t|2   (3)

[0046] 由公式(1)-(3)式可知，当旋转角α改变时，对不同的波长有不同的透过率，即对腔内波长有不同的损耗，因此当旋转角α调节到适当的值时，可使腔内某一波长可达到阈值条件实现振荡，即可实现激光波长调谐。

[0047] 由公式(1)-(3)可以计算出旋转空心晶体圆锥镜与双折射滤光效应引起腔内波长的透过率之间关系的曲线，如图5所示，图5可以看出不同的旋转角α对不同的波长λ透过率不同。由四能级激光器阈值条件[8]

[0048]

[0049] 计算出不同波长λ的阈值随着旋转角α之间关系的曲线，如图6所示。式(4)中σ是激光波长的发射截面，τ是荧光寿命，R是输出镜的反射率，L0是谐振腔的被动损耗，h是普朗克-20 2常量，νp泵浦光的频率，A是激光增益介质的横截面积。相应参数值：σ＝2.67×10 cm、0.8×10-20cm2、9.8×10-20cm2、1.6×10-20cm2、1.0×10-20cm2、1.1×10-20cm2、1.7×10-20cm2、5.1×10-20cm2和8.8×10-20cm2分别对应的波长分别为523nm、546nm、604nm、613nm、639nm、
645nm、670nm、698nm和720nm，R＝0.975，L0≈0.005，τ＝40μs，h＝6.62606896×10-34J·s。
由图6可以看出，不同的旋转角α导致波长λ有不同的阈值。当旋转角调节到34°、35.3°、
35.8°、38.7°、39.7°、41.2°、41.8°、42°和44.2°时分别可以获得720nm、670nm、546nm、
523nm、639nm、720nm、645nm、604nm、698nm和613nm波长输出。

[0050] 本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。