全固态四通结构涡旋光束功率放大器制造技术

本发明专利技术公开了一种全固态四通结构涡旋光束放大器。本发明专利技术通过泵浦整形和四通结构主振荡功率放大光路的设计，使种子涡旋光束四次通过增益晶体，并与整形后的环形泵浦光束模式匹配，实现了不同阶次涡旋光束的功率放大。本发明专利技术系统结构简单，稳定性强，功率放大倍率相比于直通结构涡旋光束主振荡功率放大系统显著提升，为远程激光雷达、激光加工等对涡旋光束功率有较高要求的技术领域提供了新的光源方案。案。案。

【技术实现步骤摘要】
全固态四通结构涡旋光束功率放大器


[0001]本专利技术属于激光
，涉及一种全固态四通结构涡旋光束功率放大器。

技术介绍

[0002]涡旋光束(vortex beam)是一种携带有轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)的新型结构光场，其复振幅包含有螺旋相位项(l为拓扑荷值，为角向坐标)，每个光子携带的OAM大小为(为约化普朗克常量)，l也被称为涡旋光束的阶次。涡旋光束这种独特的特性使其在超大容量光通信、激光雷达、光学微操纵、高维信息存储、量子技术等前沿
有着广泛的应用背景。当前国内外学者针对涡旋光束的生成技术开展了大量的研究工作，主要根据其产生方式可以分为腔外模式转换和腔内直接生成两种。然而受限于所用调制器件的低抗损伤阈值，当前生成的涡旋光束功率较小，且阶次越高时输出功率越低，在一定程度上限制了涡旋光束在远程激光雷达、激光加工等需要较高激光功率的场景中的实际应用，因此，如何实现涡旋光束的功率放大是当前亟待突破的技术瓶颈之一。主振荡功率放大(Master Oscillator Power Amplifier,MOPA)技术是一种将种子光注入到泵浦光作用下的增益介质中，从而实现对种子光的功率放大以产生高功率激光的技术，放大后的激光具有和种子光相同的频率和模式特性。然而，现有的MOPA技术多被用于基模高斯光束的功率放大，且常采用直通或双通结构，对涡旋光束等具有复杂横模分布的结构光束的功率放大存在模式匹配难度大、能量提取效率低等问题。而为了实现较大倍率的涡旋光束功率放大，常常采用多个增益介质级联和多台泵浦同时作用的方式，存在结构复杂，成本较高等问题，

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本专利技术提出了一种全固态四通结构涡旋光束功率放大器。本专利技术巧妙设计了一种用于涡旋光束功率放大的四通结构MOPA放大器，通过引入法拉第旋光器和偏振光学器件，使注入的种子涡旋光束先后四次通过泵浦作用下的单个增益介质，同时使用锥透镜和准直扩束透镜组对泵浦光束进行整形，进而实现各阶种子涡旋光束在单个增益介质内的四通光路中与泵浦光束之间的模式匹配，最终实现种子涡旋光束的高倍率功率放大。
[0004]本专利技术的一种全固态四通结构涡旋光束功率放大器，包括对泵浦光的整形和对不同阶次涡旋光束的放大，通过锥透镜和准直扩束透镜组实现对泵浦光束的整形，使得其和种子涡旋光束模式匹配，获得尽可能大的能量提取效率和功率放大效果，通过法拉第旋光器和偏振光学器件，使入射的水平线偏振待放大种子涡旋光束四次通过单个增益介质，最终输出功率放大后的涡旋光束。
[0005]本专利技术的一种全固态四通结构涡旋光束功率放大器，具备泵浦源、准直扩束透镜组、锥透镜、种子涡旋光源、两片45
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双色镜、增益介质、两个偏振分光棱镜、四分之一波片、二分之一波片、法拉第旋光器和两片反射镜。其中：
[0006]所述泵浦源，用于产生泵浦光，为增益介质提供能量注入；
[0007]所述扩束准直透镜组，由两个透镜构成，置于泵浦源后方的激光光路中，用于将泵浦光束准直后聚焦于增益介质中心；
[0008]所述锥透镜，置于准直透镜组两透镜间的激光光路中，用于将泵浦光束整形为环形光束；
[0009]所述种子涡旋光源，用于产生各种不同阶次涡旋光束，为放大器提供待放大的种子涡旋光束；
[0010]所述两片45
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双色镜45
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放置，均对入射泵浦光高透、对种子涡旋光束和放大后的光束高反，其中第一45
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双色镜置于准直扩束透镜组后方的泵浦激光光路中，用于将泵浦光耦合进增益介质中，第二45
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双色镜置于增益介质后方的激光光路中，用于将经过增益介质吸收后的残余泵浦光耦合出放大器；
[0011]所述增益介质置于两片45
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双色镜之间的激光光路中，用于吸收泵浦光能量并对种子涡旋光束进行功率放大；
[0012]所述两个偏振分光棱镜，对水平线偏振光束(p光)高透，对竖直线偏振光束(s光)高反，用于正交偏振分光，其中第一偏振分光棱镜置于种子涡旋光源后方的激光光路中，和法拉第旋光器与二分之一波片一起构成光隔离器，用于透射入射的水平线偏振种子涡旋光束并反射四次通过增益介质放大后的涡旋光束；第二偏振分光棱镜置于法拉第旋光器和二分之一波片后方的激光光路中，用于透射注入的种子涡旋光束和四次通过增益介质放大后的涡旋光束，反射二次通过增益介质后的放大光束；
[0013]所述法拉第旋光器置于第一偏振分光棱镜后方的激光光路中，用于将入射线偏振光45
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顺时针旋光；
[0014]所述二分之一波片置于法拉第旋光器后方的激光光路中，快轴与水平面22.5
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放置，与法拉第旋光器共同作用，用以对正向入射的水平线偏振光保持偏振不变，而将反向入射的水平线偏振光转化为竖直线偏振光；
[0015]所述四分之一波片置于第二45
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双色镜的反射激光光路中，其快轴与水平面45
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放置，用于改变入射光返回后的偏振状态；
[0016]所述两片反射镜均对放大涡旋光束高反，第一反射镜置于四分之一波片后方的激光光路中，用于反射一通和三通放大涡旋光束，第二反射镜置于第二偏振分光棱镜反射的后方的激光光路中，用于反射二通放大涡旋光束。
[0017]本专利技术具有以下有益效果：
[0018](1)通过设计四通结构使种子涡旋光束四次通过增益介质，有效提升了能量提取效率，可实现对不同阶次小功率涡旋光束的功率放大；
[0019](2)系统结构简单，成本较低，整体系统适应性强，灵活性高，为生成高功率高阶涡旋光束提供了技术解决方案。
附图说明
[0020]图1为本专利技术提供的全固态四通结构涡旋光束功率放大器的结构示意图，其中：1为泵浦源；2、3为透镜，共同构成准直扩束透镜组；4为锥透镜；5、6为45
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双色镜；7为增益介质；8为种子涡旋光源；9、10为偏振分光棱镜；11为法拉第旋光器；12为二分之一波片；13为四分之一波片；14、15为反射镜。
[0021]图2为利用本专利技术的全固态四通结构涡旋光束功率放大器放大不同阶次的1645nm涡旋光束的输出功率曲线，其中：横坐标为泵浦光功率大小，纵坐标为放大后的涡旋光束功率大小，右上角为放大后涡旋光束的强度分布。
具体实施方式
[0022]以下结合具体实例及附图加以详细说明。
[0023]本专利技术的一种全固态四通结构涡旋光束放大器，其结构图如图1所示：具备泵浦源(1)、准直扩束透镜组(2，3)、锥透镜(4)、2片45
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双色镜(5，6)、增益介质(7)、种子涡旋光源(8)、偏振分光棱镜(9，10)、法拉第旋光器(11)、二分之一波片(12)、四分之一波片(13)、反射镜(14，15)。其中：
[0024]所述泵浦源(1)，用于产生泵浦光，为增益介质(7)提供能量注入；所述扩本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全固态四通结构涡旋光束功率放大器，具备泵浦源、准直扩束透镜组、锥透镜、种子涡旋光源、两片45
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双色镜、增益介质、两个偏振分光棱镜、四分之一波片、二分之一波片、法拉第旋光器和两片反射镜，其中：所述泵浦源，用于产生泵浦光，为增益介质提供能量注入；所述准直扩束透镜组，由两个透镜构成，置于泵浦源后方的激光光路中，用于将泵浦光束准直后聚焦于增益介质中；所述锥透镜，置于准直透镜组两透镜间的激光光路中，用于将泵浦光束整形为环形光束，调节锥透镜前后位置，改变环形光束光斑大小，保证环形泵浦光束与种子涡旋光束在增益介质中四通下的最佳模式匹配；所述种子涡旋光源，用于产生不同阶次的待放大涡旋光束；所述两片45
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双色镜45
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放置，均对入射泵浦光高透，对种子涡旋光束和放大的光束高反，其中第一45
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双色镜置于准直扩束透镜组后方的激光光路中，使泵浦光耦合进增益介质，第二45
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双色镜置于增益介质后方的激光光路中，用于将经过增益介质吸收后的残余泵浦光耦合出放大器；所述增益介质置于第一45
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双色镜后方的激光光路中，用于吸收泵浦光能量并对种子涡旋光束进行功率放大；所述两个偏振分光...

【专利技术属性】
技术研发人员：付时尧，海澜，张智超，高春清，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：