專利名稱：具有軌道角動(dòng)量的環(huán)形激光束發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬激光技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光束的角動(dòng)量有兩種由于光束的偏振特性產(chǎn)生的角動(dòng)量和由于光束的螺旋形相位結(jié)構(gòu)(扭轉(zhuǎn)位相)而產(chǎn)生的角動(dòng)量。由光束的偏振特性引起的光束角動(dòng)量早已被人們所認(rèn)識(shí)，例如使圓偏振光通過一個(gè)用石英光纖懸掛的半波帶板，可觀察到由于光束的圓偏振特性引起的角動(dòng)量，并通過精確測(cè)量光纖的扭矩可測(cè)量由偏振引起的角動(dòng)量。而光束的軌道角動(dòng)量只是近年來才被人們所認(rèn)識(shí)，研究表明當(dāng)光束含有角向相關(guān)的位相分布時(shí)(也稱扭轉(zhuǎn)位相或螺旋位相)，此類光束具有與角向位相分布有關(guān)的角動(dòng)量(被稱為軌道角動(dòng)量)。如果含有扭轉(zhuǎn)位相的光束的光場(chǎng)函數(shù)為u(r，φ)＝f(r)·exp[ig(φ)](1)則該光束的軌道角動(dòng)量為J=-2ωP∂g(φ)∂φ---(2)]]>其中r為位置矢量，g(φ)表示光束的扭轉(zhuǎn)位相，ω是光場(chǎng)的角頻率，P為光束的總能量。
具有軌道角動(dòng)量的環(huán)形激光束在激光生物學(xué)、基因工程以及材料科學(xué)等方面有應(yīng)用前景。例如，將具有軌道角動(dòng)量的激光束與光鑷結(jié)合起來，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微粒的無接觸捕獲、平移和旋轉(zhuǎn)，在對(duì)細(xì)胞的操作過程中，避免對(duì)細(xì)胞表面和內(nèi)部細(xì)胞器的損傷，因此在人工受精和轉(zhuǎn)基因?qū)嶒?yàn)過程中，可縮短所需時(shí)間，提高細(xì)胞成活率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠產(chǎn)生具有軌道角動(dòng)量的環(huán)形激光束的方法和裝置，為生物技術(shù)、材料科學(xué)等應(yīng)用領(lǐng)域提供一種新的實(shí)驗(yàn)方法和手段。
本發(fā)明提供的產(chǎn)生具有軌道角動(dòng)量的環(huán)形激光束的方法，共分兩個(gè)步驟(1)用激光模式發(fā)生器產(chǎn)生厄米-高斯光束；(2)利用扭轉(zhuǎn)柱面鏡光學(xué)系統(tǒng)將厄米-高斯光束變換為具有軌道角動(dòng)量的環(huán)形激光束。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的裝置由半導(dǎo)體激光器、耦合透鏡、激光晶體、輸出耦合鏡、模式匹配透鏡、三個(gè)扭轉(zhuǎn)的柱面鏡等組成。
厄米-高斯光束的產(chǎn)生本發(fā)明裝置中，首先需產(chǎn)生階次可調(diào)的厄米-高斯光束，它由半導(dǎo)體激光泵浦的固體激光器實(shí)現(xiàn)。具體包括半導(dǎo)體激光泵浦源、耦合光學(xué)系統(tǒng)、激光晶體、光學(xué)諧振腔等。各組成部分的技術(shù)特征如下(1)激光泵浦源采用單管半導(dǎo)體激光器或半導(dǎo)體激光器陣列，通過耦合光學(xué)系統(tǒng)將泵浦光聚焦到激光晶體。當(dāng)激光晶體是Nd:YAG晶體時(shí)，泵浦源選取波長為808nm的半導(dǎo)體激光器；也可采用光纖輸出的半導(dǎo)體激光器做泵浦源。激光晶體兩個(gè)端面鍍合適的光學(xué)介質(zhì)膜。當(dāng)使用的激光晶體是Nd:YAG時(shí)，晶體前端面鍍808nm的增透膜和1064nm的全反膜，晶體后端面鍍1064nm的增透膜。
(2)光學(xué)諧振腔由直接鍍?cè)诩す饩w前端面的全反鏡和輸出耦合鏡組成。輸出耦合鏡的曲率半徑的選取應(yīng)使激光器工作在穩(wěn)定區(qū)。當(dāng)輸出鏡為曲率半徑為100mm的凹透鏡時(shí)，諧振腔腔長應(yīng)小于凹透鏡的曲率半徑。凹透鏡鍍對(duì)振蕩激光具有一定透過率的介質(zhì)膜，其透過率的大小由激光器的泵浦水平?jīng)Q定，例如對(duì)于瓦級(jí)半導(dǎo)體激光泵浦的Nd:YAG激光器，輸出鏡對(duì)1064nm的透過率一般取3％。
環(huán)形光束的產(chǎn)生產(chǎn)生環(huán)形光束所使用的柱面鏡系統(tǒng)由三個(gè)柱面鏡C1，C2，C3組成，如圖2所示，其中C1和C3的焦距相等，對(duì)稱軸互相平行，C2的焦距是C1，C3的焦距的兩倍，C2對(duì)稱軸與C1垂直。當(dāng)C1的對(duì)稱軸與厄密-高斯光束的對(duì)稱軸為π/4時(shí)，可產(chǎn)生具有軌道角動(dòng)量的環(huán)形激光束。f的大小與經(jīng)球面透鏡變換后出射的厄米-高斯光束的瑞利長度匹配。當(dāng)入射厄米-高斯光束通過滿足上述關(guān)系的柱面鏡光學(xué)變換系統(tǒng)后，變換為具有軌道角動(dòng)量的扭轉(zhuǎn)對(duì)稱環(huán)形光束。
本發(fā)明的主要特點(diǎn)為(1) 所產(chǎn)生環(huán)形光束的直徑和軌道角動(dòng)量的大小可變；(2) 所使用的光學(xué)元器件均為常規(guī)光學(xué)元件，當(dāng)透鏡表面鍍對(duì)入射光的增透膜后，能量轉(zhuǎn)換效率高；(3) 裝置穩(wěn)定可靠，調(diào)試簡單，容易集成，成本較低。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)原理圖。
圖2是本發(fā)明中的柱面鏡光束變換系統(tǒng)示意圖。
圖3是本發(fā)明裝置中所產(chǎn)生的厄米-高斯光束(TEM6，0)的光斑圖樣。
圖4是用本發(fā)明中所產(chǎn)生的具有軌道角動(dòng)量的環(huán)形激光束的光斑圖樣。
圖5是具有軌道角動(dòng)量的環(huán)形激光束發(fā)生器的整體結(jié)構(gòu)示意圖。如圖5所示，本發(fā)明裝置由兩部分組成，包括產(chǎn)生厄米-高斯光束的半導(dǎo)體激光泵浦固體激光器和由柱面鏡組成的光束變換系統(tǒng)。各部件名稱如下1溫控系統(tǒng)；2半導(dǎo)體激光泵浦源；3光纖(或耦合透鏡)；4激光晶體；5介質(zhì)膜；6移動(dòng)機(jī)構(gòu)；7輸出耦合鏡；8球面透鏡；9柱面鏡C1，10柱面鏡C2，11柱面鏡C3，12半導(dǎo)體激光器電源。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步說明。
如圖5所示，本發(fā)明裝置由激光模式發(fā)生器和柱面鏡光束變換系統(tǒng)兩大部分組成。激光模式發(fā)生器的作用是產(chǎn)生厄米-高斯光束，其泵浦源是半導(dǎo)體激光器2，半導(dǎo)體激光器電源為12，半導(dǎo)體激光器的波長由溫控系統(tǒng)1控制。半導(dǎo)體激光被耦合進(jìn)光纖3用于泵浦固體激光晶體4。為了獲得厄米-高斯光束，光纖3需由一個(gè)移動(dòng)機(jī)構(gòu)6在垂直于光軸的平面內(nèi)沿著水平方向移動(dòng)。激光晶體4和輸出耦合鏡7構(gòu)成固體激光器的光學(xué)諧振腔，其中激光晶體的前端面鍍對(duì)泵浦光高透和對(duì)振蕩激光高反的介質(zhì)膜5。當(dāng)半導(dǎo)體激光器的泵浦功率高于固體激光器的閾值泵浦功率時(shí)，激光器開始振蕩并輸出激光。輸出的光束經(jīng)過球面透鏡8后被引入由柱面鏡9、柱面鏡10和柱面鏡11構(gòu)成的光束變換系統(tǒng)。柱面鏡9和柱面鏡11的焦距相同，柱面鏡10的焦距是柱面鏡9的焦距的兩倍，柱面鏡9與柱面鏡10、柱面鏡10和柱面鏡11的間距等于柱面鏡9的焦距。
本發(fā)明可輸出具有軌道角動(dòng)量的環(huán)形激光束，光斑圖形如圖4所示，當(dāng)在垂直于光軸的平面內(nèi)改變泵浦光聚焦在晶體上的位置時(shí)，可改變環(huán)形光束的直徑和軌道角動(dòng)量的大小。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生具有軌道角動(dòng)量的扭轉(zhuǎn)對(duì)稱環(huán)形光束的發(fā)生器，該發(fā)生器由2半導(dǎo)體激光器、3耦合透鏡、4激光晶體、7輸出耦合鏡、8模式匹配透鏡、三個(gè)扭轉(zhuǎn)的柱面鏡(9、10和11)等組成，其特征為首先采用半導(dǎo)體激光泵浦固體激光器產(chǎn)生厄米-高斯光束，然后使產(chǎn)生的厄密-高斯光束通過三個(gè)扭轉(zhuǎn)的柱面鏡C1，C2，C3組成的光學(xué)系統(tǒng)，其中C1和C3的焦距相等，對(duì)稱軸互相平行，C2的焦距是C1，C3的焦距的兩倍，C2對(duì)稱軸與C1垂直；當(dāng)C1的對(duì)稱軸與厄密-高斯光束的對(duì)稱軸為π/4時(shí)，可產(chǎn)生具有軌道角動(dòng)量的環(huán)形激光束；通過調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器泵浦光的位置改變環(huán)形光束的直徑和軌道角動(dòng)量的大小。
2.一種用于產(chǎn)生厄米-高斯光束的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征為半導(dǎo)體激光器輸出的泵浦光束通過透鏡耦合系統(tǒng)或光纖耦合，聚焦到固體激光器上，當(dāng)在與固體激光器光軸垂直的平面內(nèi)改變半導(dǎo)體激光的泵浦位置時(shí)，可獲得厄米-高斯光束，厄密-高斯光束的模階次由泵浦光位置決定。
全文摘要
一種產(chǎn)生具有軌道角動(dòng)量的環(huán)形激光束的發(fā)生器。該發(fā)生器由半導(dǎo)體激光器、耦合透鏡、激光晶體、輸出耦合鏡、模式匹配透鏡、三個(gè)扭轉(zhuǎn)的柱面鏡等組成。本發(fā)明首先采用半導(dǎo)體激光泵浦固體激光器產(chǎn)生厄米－高斯光束，然后使產(chǎn)生的厄密－高斯光束通過三個(gè)扭轉(zhuǎn)的柱面鏡C1，C2，C3組成的光學(xué)系統(tǒng)，其中C1和C3的焦距相等，對(duì)稱軸互相平行，C2的焦距是C1，C3的焦距的兩倍，C2對(duì)稱軸與C1垂直。當(dāng)C1的對(duì)稱軸與厄密－高斯光束的對(duì)稱軸為π/4時(shí)，可產(chǎn)生具有軌道角動(dòng)量的環(huán)形激光束。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是采用常規(guī)光學(xué)元件產(chǎn)生環(huán)形光束。本發(fā)明在激光生物學(xué)、物理學(xué)等方面有重要應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H01S3/00GK1630148SQ20031012144
公開日2005年6月22日 申請(qǐng)日期2003年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月17日
發(fā)明者高春清, 高明偉, 高雪松, 李家澤, 魏光輝 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)