一种生成高功率涡旋激光的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种生成高功率涡旋激光的方法和装置。本发明专利技术主要是利用连续表面变形镜来拟合环形的螺旋面形，针对非稳腔激光器出射的环形光场可以直接生成高功率涡旋激光，对于其他激光器出射的实心光场，需要将其预整形为环形光场，再加载到连续表面变形镜上生成高功率涡旋激光。装置中有自适应光学系统，在生成高功率涡旋激光之前可以校正系统和输入光场的像差，得到高质量的入射光场。该方法采用环形结构的光场生成涡旋激光具有抑制旁瓣的优点，连续表面变形镜还可以承受高功率激光，反射式结构还可以解决宽带激光色散的问题，面形变化灵活，可以生成不同模式的涡旋激光。该方法操作简单，在光学加工，粒子捕获等领域有很大的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种生成高功率涡旋激光的方法和装置
本专利技术属于光束整形领域，具体涉及一种使用连续表面变形镜生成高功率涡旋激光的方法和装置
技术介绍
涡旋光束是一种具有连续螺旋相位分布、光束中心为相位奇点、中心光强始终为零的光束，又称暗中空光束，光束传播过程中光强呈现为环状分布。这种光束的每个光子具有大小的轨道角动量(orbitalangularmomentum,OAM)，其中l叫做拓扑荷数或模式数。这种角动量具有机械效应，在光学操纵上有很好的应用前景；由于其特殊的环形结构，也被广泛应用于光学加工领域；而且涡旋光束各模式之间是相互正交的，可以组成完备的正交基，在突破通信容量上也有巨大的潜力；另外在遥感探测和光学加密上也有很好的应用前景。在这些应用中，涡旋光束的生成研究具有十分重要的意义，目前在涡旋光束生成领域也有很多报道。腔外涡旋光束生成主要是通过螺旋相位板、空间光调制器、数字微镜、超表面、全息法、光栅法和光子筛等方法来生成涡旋光束。螺旋相位板和超表面等方法只能生成单一模式的涡旋光束，针对不同的模式需要更换不同的光学元件。空间光调制器、光栅法和全息法等方法虽然能灵活生成不通模式的涡旋光束，但是衍射效率很低。上述大部分方法采用的都是相位型光学元件，不能承受高功率激光，而且对于宽带激光还有色散的影响。目前采用的螺旋反射镜，虽然能够生成高功率涡旋激光，但是只能生成一种模式。连续表面变形镜在高功率激光整形上有很好的应用，由于连续表面变形镜不能拟合相位奇点，所以使用连续表面变形镜来拟合螺旋面形时，面形中心通常不加载电压，为一平面，对于高斯光场、平顶光场等使用连续表面变形镜来生成涡旋光束，其光场中心相位为平面波前，远场光场会出现中央主极大，这对涡旋光场的纯度有很大影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决上述生成方法的不足，由于连续表面变形镜不能拟合相位奇点，提出了使用连续表面变形镜拟合环形的螺旋面形来生成高功率涡旋激光。针对部分非稳腔出射的环形光场，可以很好的匹配连续表面变形镜拟合的环形螺旋相位。针对高斯光束，平顶光束等实心光场，可以先对其进行预整形，将实心光场预整形为环形光场，再加载到连续表面变形镜上来生成高功率涡旋激光。连续表面变形镜面形变化灵活，能够生成不同模式的螺旋面形，还能够承受高功率激光，反射式结构可以避免宽带激光色散问题，而且具有高衍射效率，同时，用环形光场生成涡旋光束具有抑制旁瓣的效果。本专利技术采用的技术方案为：一种生成高功率涡旋激光的方法。采用连续镜面变形镜来拟合环形螺旋面形，避免不能拟合相位奇点的问题。一种场生成高功率涡旋激光的方法，其步骤如下：步骤一：首先判断输入光场为环形光场还是实心光场，若为环形光场直接进入步骤二；若为实心光场，则先对其进行预整形，在振幅上实现环形分布。步骤二：使用自适应光学系统对系统像差和输入光场的像差进行预补偿。哈特曼波前传感器探测波前信息，计算连续表面变形镜加载的电压，然后连续表面变形镜加载所需的电压来补偿像差。步骤三：给变形镜加载生成环形螺旋相位所需的电压，得到环形螺旋面形分布。经过预补偿的光束入射在变形镜上，得到螺旋波前，经透镜聚焦得到远场信息，在CCD相机前放置衰减片观察生成的涡旋激光。进一步地，所述的激光器出射为环形光场时，也可以是其他类环形光场。进一步地，所述的将实心光场预整形为环形光场时，不仅限于整形为环形光场，也可以是类环形光场。进一步地，所述的连续表面变形镜生成环形螺旋面形，也可以是其他类环形螺旋面形形式。一种生成高功率涡旋激光的装置，包括激光器、第一分光镜、光学整形板、反射镜、第一透镜、第二透镜、第一聚焦透镜、第二分光镜、连续表面变形镜、第三分光镜、第三透镜、第四透镜、第一衰减片、哈特曼波前传感器、第二聚焦透镜、第二衰减片、CCD相机、计算机；激光器和光学整形板之间放置有第一分光镜；第一分光镜和连续表面变形镜之间依次放置反射镜、第一透镜、第二透镜、第一聚焦透镜和第二分光镜；第二分光镜和哈特曼波前传感器之间依次放置第三分光镜、第三透镜、第四透镜和第一衰减片；第三分光镜和CCD相机之间依次放置第二聚焦透镜和第二衰减片；连续表面变形镜、哈特曼波前传感器、CCD相机三者与计算机相连。进一步地，所述激光器出射的光场为环形光场时，所述的光学整形板不加载面形，为一平面镜，所述的第一聚焦透镜移除。所述激光器出射的为实心光场时，装置保持不变。进一步地，所述的光学整形板对激光器出射的实心光场进行预整形，得到环形光场。其相位结构为平面波前的中心圆域有π的piston相移，其圆域半径与入射光场的尺寸相关。进一步地，所述的第一透镜、第二透镜组成光束扩束系统，将预整形之后的光束扩束至连续表面变形镜生成涡旋光束所需的尺寸。进一步地，所述的第一聚焦透镜用于获得经光学整形板整形后的远场光场。进一步地，所述的连续表面变形镜用于对光场像差和系统像差进行预补偿，和加载生成不同模式涡旋光束所需的环形螺旋相位。其驱动器的排布方式不仅限于实施例所示的环形排布进一步地，所述的第三透镜和第四透镜组成缩束系统，将光束缩束成适合哈特曼波前传感器探测所需的尺寸。进一步地，所述的哈特曼波前传感器用于探测波前信息，可用曲率波前传感器，剪切干涉波前传感器，金字塔波前传感器等其他类型的波前传感器代替。进一步地，所述的第二聚焦透镜用于获取经连续表面变形镜反射的远场光场。进一步地，所述的第一衰减片、第二衰减片用于衰减光强，保护探测器件。进一步地，所述的CCD相机置于第二聚焦透镜的焦平面上，用于接收生成的涡旋光束。进一步地，所述的计算机与CCD相机、哈特曼波前传感器、连续表面变形镜相连，显示来自CCD相机接收的焦平面处的涡旋光束；显示哈特曼波前传感器探测的光斑阵列，并计算畸变波前；控制连续表面变形镜加载在各驱动器上的电压，生成补偿像差的面形和生成环形螺旋面形。本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术装置加入了自适应光学系统，在生成涡旋激光之前，对光场像差和系统像差进行了预补偿，这样可以生成高质量的涡旋激光。(2)本专利技术对于激光器出射的实心光场，加入了预整形模块，避免了生成的涡旋激光存在中央主极大的问题，提高了光的能量利用率。(3)本专利技术采用环形光场来生成涡旋激光，具有抑制旁瓣的效果。(4)本专利技术使用连续表面变形镜拟合环形螺旋面形匹配环形光场，避免的连续表面变形镜不能拟合相位奇点的问题。(5)本专利技术使用的连续镜面，可以承受高功率激光。(6)本专利技术使用的连续表面变形镜，为反射式变形镜，可以解决宽带激光的色散问题。(7)本专利技术使用连续表面变形镜，可以控制驱动器电压生成不同的螺旋面形，生成不同模式的涡旋激光。附图说明图1是本专利技术生成涡旋激光的装置示意图。图2是激光器出射的光场示意图，其中，图2(a)是非稳腔激光器出射的环形光场示意图，图2(b)是激光器出射的高斯光场示意图。图3是对激光器出射的实心光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生成高功率涡旋激光的方法，其特征在于，步骤如下：/n步骤一：首先判断输入光场为环形光场还是实心光场，若为环形光场直接进入步骤二；若为实心光场，则先对其进行预整形，在振幅上实现环形分布；/n步骤二：使用自适应光学系统对系统像差和输入光场的像差进行预补偿，哈特曼波前传感器探测波前信息，计算连续表面变形镜加载的电压，然后连续表面变形镜加载所需的电压来补偿像差；/n步骤三：给变形镜加载生成环形螺旋相位所需的电压，得到环形螺旋面形分布，经过预补偿的光束入射在变形镜上，得到螺旋波前，经透镜聚焦得到远场信息，在CCD相机前放置衰减片观察生成的涡旋激光。/n

【技术特征摘要】
1.一种生成高功率涡旋激光的方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一：首先判断输入光场为环形光场还是实心光场，若为环形光场直接进入步骤二；若为实心光场，则先对其进行预整形，在振幅上实现环形分布；
步骤二：使用自适应光学系统对系统像差和输入光场的像差进行预补偿，哈特曼波前传感器探测波前信息，计算连续表面变形镜加载的电压，然后连续表面变形镜加载所需的电压来补偿像差；
步骤三：给变形镜加载生成环形螺旋相位所需的电压，得到环形螺旋面形分布，经过预补偿的光束入射在变形镜上，得到螺旋波前，经透镜聚焦得到远场信息，在CCD相机前放置衰减片观察生成的涡旋激光。


2.根据权利要求1所述的一种场生成高功率涡旋激光的方法，其特征在于，所述的激光器出射为环形光场时，也可以是其他类环形光场。


3.根据权利要求1所述的一种场生成高功率涡旋激光的方法，其特征在于，所述的将实心光场预整形为环形光场时，不仅限于整形为环形光场，也可以是类环形光场。


4.根据权利要求1所述的一种场生成高功率涡旋激光的方法，其特征在于，所述的连续表面变形镜生成环形螺旋面形，也可以是其他类环形螺旋面形形式。


5.一种生成高功率涡旋激光的装置，其特征在于，包括激光器(1)、第一分光镜(2)、光学整形板(3)、反射镜(4)、第一透镜(5)、第二透镜(6)、第一聚焦透镜(7)、第二分光镜(8)、连续表面变形镜(9)、第三分光镜(10)、第三透镜(11)、第四透镜(12)、第一衰减片(13)、哈特曼波前传感器(14)、第二聚焦透镜(15)、第二衰减片(16)、CCD相机(17)和计算机(18)；激光器(1)和光学整形板...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈锋，唐奥，兰斌，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51