球差調(diào)控?zé)岱€(wěn)區(qū)及激光定型放大雙矩形空心激光器的制造方法
【專利摘要】球差調(diào)控?zé)岱€(wěn)區(qū)及激光定型放大雙矩形空心激光器屬于激光技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明由本振級和放大級構(gòu)成；本振泵浦、聚焦耦合鏡組、全反腔鏡、本振增益介質(zhì)棒、輔助透鏡、本振輸出耦合鏡依次光學(xué)同軸排列；全反腔鏡為平凹透鏡，凹面朝向本振增益介質(zhì)棒；本振泵浦的輸出功率為10～40W，輔助透鏡為正透鏡；放大級泵浦光源中的圓錐透鏡組由兩個相背放置的正圓錐鏡組成；中透射反射鏡位于圓錐透鏡組輸出端一側(cè)的光軸上，并與光軸呈45°角；放大增益介質(zhì)棒位于中透射反射鏡的光反射一側(cè)與外透射反射鏡之間，外透射反射鏡與放大增益介質(zhì)棒的光軸垂直。本發(fā)明利用球差調(diào)控?zé)岱€(wěn)區(qū)獲得雙半高斯空心諧振光，采用反雙半高斯空心泵浦光定型放大所述雙半高斯空心諧振光，得到雙矩形空心激光。
【專利說明】
球差調(diào)控?zé)岱€(wěn)區(qū)及激光定型放大雙矩形空心激光器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種球差調(diào)控?zé)岱€(wěn)區(qū)及激光定型放大雙矩形空心激光器，利用球差調(diào)控?zé)岱€(wěn)區(qū)獲得雙半高斯空心諧振光，采用反雙半高斯空心栗浦光定型放大所述雙半高斯空心諧振光，得到雙矩形空心激光，屬于激光技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]空心激光是一種在傳播方向上中心光強為零的環(huán)狀光束，被稱為“空心光束”或“暗中空光束”?？招墓馐哂型矤顝姸确植肌⑤^小的暗斑尺寸和傳播不變性、自旋以及軌道角動量等特點，使得空心光束能夠用作激光導(dǎo)管、光學(xué)鑷子和光學(xué)扳手，用來精確操縱和控制微米粒子、納米粒子和生物細(xì)胞等微觀粒子。
[0003]現(xiàn)有獲得空心光束的方法有幾何光學(xué)方法、模式轉(zhuǎn)換方法、計算全息法等，獲得了諸如面包圈空心光束、高階貝塞爾光束、局域空心光束等，不過，所獲得的空心光束的光強分布依然為高斯分布，不同以往的是這種空心光束為雙半高斯空心光束或者反雙半高斯空心光束，其光強分布如圖1或者圖2所示。例如，專利號為ZL200810051203.8、名稱為“準(zhǔn)雙半高斯空心激光束形成裝置”的一件中國發(fā)明專利公開了一項依幾何光學(xué)方法獲得空心光束的技術(shù)方案。如圖3所示，實心高斯激光從凹球面反射鏡a的入射孔b照射到正軸錐面反射鏡c上，反射后被轉(zhuǎn)換成發(fā)散的空心圓錐激光，由凹球面反射鏡a反射，再由正透鏡d準(zhǔn)直，得到準(zhǔn)直的空心圓筒激光。與入射的實心高斯激光相比，出射的空心圓筒激光是一種雙半高斯空心光束。
[0004]然而，不論是雙半高斯空心光束還是反雙半高斯空心光束，雖然前者的內(nèi)壁、后者的外壁的光強呈階躍式變化，但是，前者的外壁、后者的內(nèi)壁的光強就都不是階躍式變化了，并且，從光束內(nèi)壁到外壁，光強按高斯函數(shù)遞減或者遞增，這種空心光束對中性原子不具有高效Sisyphus冷卻效果，要想獲得這一效果，就要求光束的內(nèi)壁、外壁光強都呈階躍式變化，且從光束內(nèi)壁到外壁，光強不變，如圖4所示，這種空心光束稱為雙矩形空心光束，雙矩形空心光束具有極高的強度梯度，可望達(dá)到甚至超過消逝波光場的強度梯度，然而，這只是一類設(shè)計中的空心光束，現(xiàn)有技術(shù)尚未獲得這種空心光束。
[0005]另外，所述現(xiàn)有技術(shù)是在激光器之外采取技術(shù)措施獲得空心光束，作為一個整體，裝置的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜、體積增大、成本提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了獲得一種雙矩形空心光束，我們發(fā)明了一種球差調(diào)控?zé)岱€(wěn)區(qū)及激光定型放大雙矩形空心激光器。
[0007]本發(fā)明之球差調(diào)控?zé)岱€(wěn)區(qū)及激光定型放大雙矩形空心激光器其特征在于，如圖5、圖6所示，由本振級和放大級構(gòu)成;在本振級中，本振栗浦1、聚焦耦合鏡組2、全反腔鏡3、本振增益介質(zhì)棒4、輔助透鏡5、本振輸出耦合鏡6依次光學(xué)同軸排列;聚焦耦合鏡組2由兩個平凸透鏡構(gòu)成，且凸面相對;全反腔鏡3為平凹透鏡，凹面朝向本振增益介質(zhì)棒4;當(dāng)本振栗浦I的輸出功率為10?40W時，輔助透鏡5為正透鏡，當(dāng)本振栗浦I的輸出功率為41?80W時，輔助透鏡5為負(fù)透鏡;輸出耦合鏡6為平面鏡;在放大級中，放大栗浦7、準(zhǔn)直鏡組8、圓錐透鏡組9依次光學(xué)同軸排列構(gòu)成一個栗浦光源;準(zhǔn)直鏡組8為望遠(yuǎn)鏡；圓錐透鏡組9由兩個相背放置的正圓錐鏡組成；中透射反射鏡10位于圓錐透鏡組9輸出端一側(cè)的光軸上，并與光軸呈45°角;放大增益介質(zhì)棒11位于中透射反射鏡10的光反射一側(cè)與外透射反射鏡12之間，外透射反射鏡12與放大增益介質(zhì)棒11的光軸垂直；當(dāng)放大級采用兩個栗浦光源時，外透射反射鏡12與放大增益介質(zhì)棒11的光軸呈45°角，同時位于增設(shè)栗浦光源中的圓錐透鏡組9輸出端一側(cè)的光軸上，并與該光軸呈45°角;本振增益介質(zhì)棒4與放大增益介質(zhì)棒11的激射波長相同；中透射反射鏡10及外透射反射鏡12對激射波長高透、對放大級栗浦光高反。
[0008]本發(fā)明其技術(shù)效果如下所述。本發(fā)明之激光器的本振級產(chǎn)生并向放大級輸出雙半高斯空心光束。本振增益介質(zhì)棒4吸收栗浦光后其熱導(dǎo)率和熱光系數(shù)隨溫度變化，產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)，由于球差的原因，不同階模式的激光具有不同的熱透鏡焦距值，這將使得不同階本征模式的動力穩(wěn)定區(qū)發(fā)生分離。為了說明這一過程，假定激光器諧振腔的長臂為350mm、短臂為50mm，TEMQ1*和TEMiq模的熱透鏡焦距分別為TEMqq的1.1倍和1.2倍，計算得到的不同階的動力穩(wěn)定區(qū)，如圖7所示，可見，各階模式的第一動力穩(wěn)定區(qū)基本重合，而第二動力穩(wěn)定區(qū)卻有較大的分離，若將工作點設(shè)定在栗浦功率60?63W區(qū)域，則只有TEMo1*模式能夠形成穩(wěn)定振蕩，產(chǎn)生空心光束，而其它模式都因不能滿足穩(wěn)定性條件而無法起振。據(jù)此，本發(fā)明本振級利用熱透鏡效應(yīng)帶來的球差調(diào)控?zé)岱€(wěn)區(qū)產(chǎn)生空心光束輸出，具體為雙半高斯空心諧振光。詳述如下。輔助透鏡5結(jié)合本振增益介質(zhì)棒4熱透鏡調(diào)節(jié)腔內(nèi)諧振光球差，并且，當(dāng)本振栗浦I的輸出功率較低也就是10?40W時，由熱透鏡效應(yīng)引起的球差較小，此時，通過調(diào)整諧振腔的參數(shù)，如全反腔鏡3、本振輸出耦合鏡6的曲率半徑，長臂、短臂的比例，都不足以使得其他兩個低階模式在第二動力穩(wěn)定區(qū)發(fā)生明顯地分離時，可通過增大輔助透鏡5的球差如將輔助透鏡5設(shè)計為正透鏡且增大其曲率半徑如150mm來實現(xiàn)；當(dāng)本振栗浦I的輸出功率較高也就是41?80W時，熱透鏡效應(yīng)較為嚴(yán)重，由熱透鏡效應(yīng)引起的球差過大，此時，將輔助透鏡5設(shè)計為負(fù)透鏡，曲率半徑為-100mm，如此既緩解了熱透鏡效應(yīng)，又可以調(diào)節(jié)不同模式在第二動力穩(wěn)定區(qū)的最佳工作點。在幾個低階模式的第二動力穩(wěn)定區(qū)出現(xiàn)較明顯的分離情況下，將栗浦功率選擇在只允許TEMo1*模能夠起振的范圍內(nèi)，則其它低階模式TEMoo、TEMQ1由于損耗過大而受到TEMo1*模的壓制，由于栗浦光為高斯光束，本振級輸出的諧振光最終為雙半尚斯空心諧振光。
[0009]在放大級中，放大栗浦7發(fā)出的栗浦光原本也是高斯光束，經(jīng)過準(zhǔn)直鏡組8入射圓錐透鏡組9，如圖8所示，由第一個正圓錐鏡折射后，形成發(fā)散的空心圓錐光束，且高斯光束的中心光線A被折射后成為空心圓錐光束的外壁光線，高斯光束的邊緣光線B被折射后成為空心圓錐光束的內(nèi)壁光線;所述空心圓錐光束由第二個正圓錐鏡折射后，形成平行的空心圓筒光束，其外壁光線的光強最強，從外壁光線到內(nèi)壁光線光強以高斯函數(shù)形式減弱，因此，這是一束反雙半高斯空心光束，也就是說放大級栗浦光源給出的是反雙半高斯空心栗浦光。
[0010]所述反雙半高斯空心栗浦光由透射反射鏡10反射進(jìn)入放大增益介質(zhì)棒11，放大增益介質(zhì)棒11內(nèi)部的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)將形成從邊緣到中心遞減的分布格局，增益飽和效應(yīng)出現(xiàn)對應(yīng)變化。當(dāng)來自本振級的雙半高斯空心諧振光在通過放大級的放大增益介質(zhì)棒11的過程中，雙半高斯空心諧振光的外壁光線的光強較弱，增益介質(zhì)的飽和程度較低，外壁光線得到較大程度的放大;雙半高斯空心諧振光的內(nèi)壁光線的光強較強，增益介質(zhì)的飽和程度較高，內(nèi)壁光線得到較小程度的放大。這就是所謂的定型放大，即采用反雙半高斯空心栗浦光定型放大雙半高斯空心諧振光，最終得到雙矩形空心激光。
[0011]本發(fā)明不僅得到了雙矩形空心激光，而且，是由激光器自身獲得，因此，相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、裝置緊湊、裝置總體成本相對較低。
[0012]另外，提高本振栗浦I功率及在放大級中采用兩個栗浦光源，目的都是為了提高本發(fā)明之雙矩形空心激光器的輸出功率。
【附圖說明】
[0013]圖1是雙半高斯空心光束強度分布曲線圖。圖2是反雙半高斯空心光束強度分布曲線圖。圖3是現(xiàn)有準(zhǔn)雙半高斯空心激光束形成裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是雙矩形空心光束強度分布曲線圖。圖5是本發(fā)明之球差調(diào)控?zé)岱€(wěn)區(qū)及激光定型放大雙矩形空心激光器結(jié)構(gòu)示意圖，該圖同時作為摘要附圖。圖6是本發(fā)明之一種能夠提高光輸出功率的球差調(diào)控?zé)岱€(wěn)區(qū)及激光定型放大雙矩形空心激光器結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是平-平腔不同階模式的動力穩(wěn)定區(qū)示意圖，圖中:I表示低階激光模式的第一動力穩(wěn)定區(qū)，11表示低階激光模式的第二動力穩(wěn)定區(qū)，曲線I區(qū)域為TEMoo模式的動力穩(wěn)定區(qū)，曲線2區(qū)域為TEMo1*模式的動力穩(wěn)定區(qū)，曲線3區(qū)域為TEMiq模式的動力穩(wěn)定區(qū)，點a為設(shè)定的工作點。圖8是由圓錐透鏡組將高斯光束轉(zhuǎn)換為反雙半高斯空心光束過程示意圖。
【具體實施方式】
[0014]如圖5、圖6所示，所述雙矩形空心激光器由本振級和放大級構(gòu)成。
[0015]在本振級中，本振栗浦1、聚焦耦合鏡組2、全反腔鏡3、本振增益介質(zhì)棒4、輔助透鏡5、本振輸出親合鏡6依次光學(xué)同軸排列。本振栗浦I米用LD，栗浦光波長808nm、功率30W。聚焦耦合鏡組2由兩個平凸透鏡構(gòu)成，且凸面相對;平凸透鏡焦距50mm，每個平凸透鏡的兩個鏡面都鍍有透過率大于99.5%的808nm增透膜。全反腔鏡3為平凹透鏡，凹面朝向本振增益介質(zhì)棒4;全反腔鏡3曲率半徑為100mm，平凹透鏡的兩個鏡面都鍍有透過率大于99.5%的808nm增透膜，平凹透鏡的凹鏡面還鍍有反射率大于99.9%的1064nm高反膜。本振增益介質(zhì)棒4為Φ 5 X 1mm的Nd: YAG晶體棒，晶體棒的兩個端面都鍍有透過率大于99.9 %的1064nm增透膜。當(dāng)本振栗浦I的輸出功率為10?40W時，輔助透鏡5為正透鏡；正透鏡的曲率半徑為150mm，兩個鏡面鍍有透過率大于99.9%的1064nm增透膜。當(dāng)本振栗浦I的輸出功率為41?80W時，輔助透鏡5為負(fù)透鏡;負(fù)透鏡的曲率半徑為-100mm，兩個鏡面鍍有透過率大于99.9%的1064nm增透膜。輸出耦合鏡6為平面鏡;平面鏡朝向本振增益介質(zhì)棒4的鏡面鍍有透過率為1 %的1064nm部分透過膜，另一個鏡面鍍有透過率大于99.9 %的1064nm增透膜。
[0016]在放大級中，放大栗浦7、準(zhǔn)直鏡組8、圓錐透鏡組9依次光學(xué)同軸排列構(gòu)成一個栗浦光源。放大栗浦7采用LD，栗浦光波長808nm、功率50W。準(zhǔn)直鏡組8為望遠(yuǎn)鏡；望遠(yuǎn)鏡由正、負(fù)兩個透鏡組成，放大倍率為4 X，正、負(fù)兩個透鏡的鏡面都鍍有透過率大于99.5 %的808nm增透膜。圓錐透鏡組9由兩個相背放置的正圓錐鏡組成；正圓錐鏡材質(zhì)為ZnS晶體，錐角為168°，每個正圓錐鏡的兩個鏡面都鍍有透過率大于99.5%的808nm增透膜。中透射反射鏡10位于圓錐透鏡組9輸出端一側(cè)的光軸上，并與光軸呈45°角；中透射反射鏡10為平面鏡，平面鏡的兩個鏡面都鍍有透過率大于99.5 %的1064nm增透膜，平面鏡朝向圓錐透鏡組9的鏡面還鍍有反射率大于99.5%的808nm高反膜。放大增益介質(zhì)棒11位于中透射反射鏡10的光反射一側(cè)與外透射反射鏡12之間，外透射反射鏡12與放大增益介質(zhì)棒11的光軸垂直;外透射反射鏡12為平面鏡，平面鏡的兩個鏡面都鍍有透過率大于99.5 %的1064nm增透膜;放大增益介質(zhì)棒11為Φ8Χ15mm的Nd:YAG晶體棒，晶體棒的兩個端面都鍍有透過率大于99.9%的1064nm增透膜。當(dāng)放大級采用兩個栗浦光源時，外透射反射鏡12與放大增益介質(zhì)棒11的光軸呈45°角，同時位于增設(shè)栗浦光源中的圓錐透鏡組9輸出端一側(cè)的光軸上，并與該光軸呈45°角；作為這一結(jié)構(gòu)中的外透射反射鏡12的平面鏡的兩個鏡面都鍍有透過率大于99.5%的1064nm增透膜，平面鏡朝向增設(shè)栗浦光源中的圓錐透鏡組9的鏡面還鍍有反射率大于99.5%的80811111高反膜。
【主權(quán)項】
1.一種球差調(diào)控?zé)岱€(wěn)區(qū)及激光定型放大雙矩形空心激光器，其特征在于，由本振級和放大級構(gòu)成;在本振級中，本振栗浦(I)、聚焦耦合鏡組(2)、全反腔鏡(3)、本振增益介質(zhì)棒(4)、輔助透鏡(5)、本振輸出耦合鏡(6)依次光學(xué)同軸排列;聚焦耦合鏡組(2)由兩個平凸透鏡構(gòu)成，且凸面相對;全反腔鏡(3)為平凹透鏡，凹面朝向本振增益介質(zhì)棒(4);當(dāng)本振栗浦(I)的輸出功率為10?40W時，輔助透鏡(5)為正透鏡，當(dāng)本振栗浦(I)的輸出功率為41?80W時，輔助透鏡(5)為負(fù)透鏡;輸出耦合鏡(6)為平面鏡;在放大級中，放大栗浦(7)、準(zhǔn)直鏡組(8)、圓錐透鏡組(9)依次光學(xué)同軸排列構(gòu)成一個栗浦光源;準(zhǔn)直鏡組(8)為望遠(yuǎn)鏡；圓錐透鏡組(9)由兩個相背放置的正圓錐鏡組成；中透射反射鏡(10)位于圓錐透鏡組(9)輸出端一側(cè)的光軸上，并與光軸呈45°角;放大增益介質(zhì)棒(11)位于中透射反射鏡(10)的光反射一側(cè)與外透射反射鏡(12)之間，外透射反射鏡(12)與放大增益介質(zhì)棒(11)的光軸垂直；當(dāng)放大級采用兩個栗浦光源時，外透射反射鏡(12)與放大增益介質(zhì)棒(11)的光軸呈45°角，同時位于增設(shè)栗浦光源中的圓錐透鏡組(9)輸出端一側(cè)的光軸上，并與該光軸呈45°角;本振增益介質(zhì)棒(4)與放大增益介質(zhì)棒(11)的激射波長相同；中透射反射鏡(10)及外透射反射鏡(12)對激射波長高透、對放大級栗浦光高反。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙矩形空心激光器，其特征在于，本振栗浦(I)、放大栗浦(7)均采用LD，栗浦光波長808nmo3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙矩形空心激光器，其特征在于，本振增益介質(zhì)棒(4)、放大增益介質(zhì)棒(11)均采用Nd: YAG晶體棒，本振增益介質(zhì)棒(4)尺寸為Φ5 X 10mm，放大增益介質(zhì)棒(11)尺寸為Φ8 X 15_。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙矩形空心激光器，其特征在于，作為輸出耦合鏡(6)的平面鏡朝向本振增益介質(zhì)棒(4)的鏡面鍍有透過率為10%的1064nm部分透過膜，另一個鏡面鍍有透過率大于99.9 %的1064nm增透膜。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙矩形空心激光器，其特征在于，組成圓錐透鏡組(9)的兩個正圓錐鏡材質(zhì)為ZnS晶體，錐角為168°。
【文檔編號】H01S3/16GK105958311SQ201610464480
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月24日
【發(fā)明人】董淵, 金光勇, 劉宇, 于永吉, 陳薪羽, 吳春婷, 張喜和
【申請人】長春理工大學(xué)