环形光泵浦的连续和脉冲涡旋Nd:YAG微片激光器的研究
发布时间：2020-07-16 21:28
【摘要】：近年来,为了充分地发掘和利用激光的潜能,拥有不同空间结构的激光光场成为一个重要研究领域,其中,涡旋光束是研究的热点之一。涡旋光束是指等相位面呈螺旋形分布的光束,这种光束携带沿光束传播方向的轨道角动量,因此,涡旋光束被广泛地应用于量子信息、光学通信、光学操纵、非线性光学、材料加工,自旋轨道耦合等领域。如何便捷高效地产生涡旋光束是所有有关涡旋光束研究的一个关键问题。按照涡旋激光产生的位置是在激光器腔内还是腔外,可以将涡旋激光的产生方式分为两大类:被动方法和主动方法。被动方法是在激光器谐振腔外,利用特殊设计的光学元件或者光场参数调制元件,将基模的高斯光束转化为涡旋光束,转化的过程一般伴随能量的损耗和光束质量的下降,而且一般情况下由于插入的光学元件的损伤阈值较低,涡旋激光无法实现大功率输出。主动方法是通过设计特殊结构的激光器谐振腔,直接输出涡旋激光,该方法的特点是输出涡旋激光能量高,器件结构相对简单,输出激光的光束质量好。可以直接输出涡旋光束的固体激光器是目前研究的主要方向之一。在激光二极管端面泵浦的固体激光器中,产生涡旋光束的有效方式之一是利用空心光作为泵浦光源。目前,所有产生空心泵浦光束的方法都是先利用光学元件产生空心光束,再利用额外的凸透镜聚焦光束,才能得到高功率密度的环形泵浦光斑,而且光学元件和凸透镜相对位置需要精确地调整才能得到完美的环形光斑。这种空心聚焦光束的产生方式增加了激光器准直聚焦系统调节的复杂程度,而且得到空心聚焦光束的灵活性较差。另外,目前在端面泵浦的固体激光器中控制涡旋光束的矢量偏振状态和涡旋旋向的方式主要是在谐振腔内插入选模元件。这些元件的插入使激光器结构变得复杂,而且降低了激光器的损伤阈值,另一方面,引入额外的光学元件使得激光器的腔长变长,导致在被动调Q激光器中无法输出短脉冲宽度和高重复频率的脉冲涡旋激光。为解决上述问题,本文首次提出了环形聚焦透镜(Hollow Focus Lens,HFL)的设计思想和实现方法。该透镜可以看作是一个凸透镜的中部(以凸透镜中轴线为对称轴的圆柱形区域)被一个负弯月透镜替换所得,利用该透镜可以直接将基模高斯光束方便地转换为环形聚焦光束,用于泵浦固体激光器。利用环形聚焦透镜产生的环形聚焦光束泵浦以Nd:YAG晶体为增益介质的微片激光器,实现了连续矢量涡旋激光的输出。激光器的入射泵浦光功率阈值是0.7 W。当入射泵浦功率小于5.5 W时,输出的涡旋激光保持径向偏振状态;当入射泵浦功率大于5.5 W时,输出的涡旋激光保持角向偏振状态。激光器输出的矢量偏振激光的偏振度保持在91%左右。输出激光的矢量偏振状态随入射泵浦功率的变化归因于Nd:YAG晶体的热致双焦点效应。激光器输出涡旋激光的拓扑荷数为1,且旋向不随光束偏振状态的变化而变化。当入射泵浦功率小于6.5 W时,输出激光的斜效率为16.8%,在入射泵浦功率为10 W时获得了 1.16 W的最大输出功率。在产生连续矢量涡旋激光的基础上,利用Cr,Nd:YAG晶体作为激光工作物质,在环形聚焦透镜产生的环形光泵浦的Cr,Nd:YAG自调Q微片激光器中获得了脉冲涡旋激光输出。本文提出了在微片激光器中通过调节耦合镜的倾斜角度来控制涡旋光束的波前旋向的方法。利用环形聚焦透镜产生的环形聚焦光束作为泵浦光源,通过倾斜输出耦合镜,在Cr,Nd:YAG晶体自调Q微片激光器中实现了旋向可控的脉冲涡旋光束的输出。涡旋光束旋向控制的机制是倾斜的输出耦合镜对旋向相反的涡旋光束有不同的反射率。激光器输出涡旋脉冲的入射泵浦光功率阈值是0.9 W,在吸收泵浦功率为1.8 W时可以同时获得8.5 ns的脉冲宽度和113 kHz的重复频率,在较高的泵浦功率下获得输出激光的斜效率为46.6%,获得的最大平均输出功率为1W。输出涡旋激光的偏振状态接近于圆偏振。本论文有关在微片激光器中直接产生连续矢量涡旋激光和脉冲涡旋激光的研究成果对于研制新型涡旋微片激光器输出高能量和旋向可控的涡旋光束具有重要的理论和实践指导意义。
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN248
【图文】：
１．２给出了拥有不同拓扑荷数的涡旋光束的螺旋相位波前。从图中可以看出，涡逡逑旋光束的相位结构会随着拓扑荷数的不同而发生变化。对于拓扑荷数不为零的情逡逑况，光轴中心始终存在相位奇点，而且相位结构始终是连续的螺旋状。从图１．２逡逑（ｂ）中可以看出，在涡旋光束的横截面上绕光轴旋转一周，当拓扑荷数为１时，逡逑光束相位改变２ｊｉ；当拓扑荷数为２时，光束相位改变４ｔｉ，如图１．２邋（ｃ）中所示；逡逑当拓扑荷数为３时，光束相位改变６；ｒ，如图１．２邋（ｄ）中所示。由于涡旋光束具逡逑有螺旋形的相位分布，使得涡旋光束的电磁场具有沿光束传播方向的分量，因此逡逑涡旋光束会携带沿光束传播方向的轨道角动量。逡逑＼１／／邋？逡逑ｉ逦＞－逦＊逡逑ｍｐ逦S茫铄危澹В斟义希族义贤迹保毕咂窈驮财窆馐钠褡刺疽馔迹玻薄ｅ义希插义
本文编号：2758532
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN248
【图文】：
１．２给出了拥有不同拓扑荷数的涡旋光束的螺旋相位波前。从图中可以看出，涡逡逑旋光束的相位结构会随着拓扑荷数的不同而发生变化。对于拓扑荷数不为零的情逡逑况，光轴中心始终存在相位奇点，而且相位结构始终是连续的螺旋状。从图１．２逡逑（ｂ）中可以看出，在涡旋光束的横截面上绕光轴旋转一周，当拓扑荷数为１时，逡逑光束相位改变２ｊｉ；当拓扑荷数为２时，光束相位改变４ｔｉ，如图１．２邋（ｃ）中所示；逡逑当拓扑荷数为３时，光束相位改变６；ｒ，如图１．２邋（ｄ）中所示。由于涡旋光束具逡逑有螺旋形的相位分布，使得涡旋光束的电磁场具有沿光束传播方向的分量，因此逡逑涡旋光束会携带沿光束传播方向的轨道角动量。逡逑＼１／／邋？逡逑ｉ逦＞－逦＊逡逑ｍｐ逦S茫铄危澹В斟义希族义贤迹保毕咂窈驮财窆馐钠褡刺疽馔迹玻薄ｅ义希插义
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