腔内全息激光模式转换器制造技术

本发明专利技术是一种宽带腔内激光模式转换器。这是印在体布拉格光栅内部的复杂相位掩模的全息图，该体布拉格光栅具有记录在光热折射(PTR)玻璃中的宽光谱宽度。该全息图是一种由于PTR玻璃的低吸收系数和低非线性折射率而能够在高瞬时和平均功率下在宽波长范围内使用的宽带相位转换单片器件。因此，它可以用于激光谐振器中的宽带光束变换和模式转换。光谐振器中的宽带光束变换和模式转换。光谐振器中的宽带光束变换和模式转换。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】腔内全息激光模式转换器


[0001]本公开涉及相位光束变换方法。具体地，本公开涉及一种设置有腔内消色差全息相位掩模的激光器，该腔内消色差全息相位掩模被配置为提供空间横向模式转换。

技术介绍

[0002]横向模式变换方法用于提供例如强度的高斯横向分布与平面波前到各种激光应用所需的其他更复杂的模式分布之间的模式转换。这些转换模式可以包括但不限于TEM
mn
、拉格
‑
高斯LG
nm
、艾里、贝塞尔等。模式整形技术包括幅度调制、相位调制或两者的组合，并且可以在激光腔外部或其内部进行，后者在这里最为相关。
[0003]该模式的相位分布变换方法包括应用于模式波前的局部区域的相位校正。因此，可以改变光束传播特性，以在整形模式的远场中提供期望辐照度分布。实现期望模式形状变换的相位延迟由以小部分波长测量的光程差来确定。光程差是光束传播的介质的厚度与介质的折射率的乘积。控制相位分布的元件包括这里特别感兴趣的相位掩模、衍射光学元件(DOE)和空间光调制器(SLM)。由于只能针对特定波长实现特定相移动作，因此所有相位整形元件都表现出高色差度——这是窄带和相对较低功率模式的特征现象。然而，具有高功率和宽谱线的模式对于各种激光工业应用是必不可少的。
[0004]相位掩模是透射模式的光路在孔径上具有指定分布的光学元件，并且作为术语，其用于定义除了引入空间相关相位分布的传统透镜之外的任何光学元件。已知用于产生具有预定相位分布的永久相位掩模的两种方法。第一种方法包括制造光学透明均匀材料的异型表面——表面相位掩模。该方法可以通过选择性蚀刻或沉积的不同技术来执行。这些方法产生期望的几何厚度分布，并且相应地产生透射光束中的光学相位分布。第二种方法包括在穿过光束孔径的一定体积的介质中改变材料的局部折射率。这些变化产生了所期望的光路分布，并因此产生了透射模式的光相位。适合于制造VBG的材料是光敏的。
[0005]光敏材料的一个示例是光热折射(PTR)玻璃，PTR玻璃在材料暴露于UV辐射并随后进行热显影之后会产生折射率的变化。该结果导致材料折射率发生永久变化(这无法通过激光辐射来漂白)并且在可见光区域和近IR光谱区域吸收率较低。这些特性使得VBG的制造具有高效率以及对激光辐射、机械冲击和高温具有高耐受性。具体地，通过将均质PTR玻璃板暴露于以某个角度会聚的两个准直UV光束的干涉图案来产生VBG。对于这些条件，干涉图案是平面平行条纹系统。会聚角决定干涉图案的周期。在热显影之后，在一定体积的PTR玻璃中产生具有修改折射率的平面平行层系统。层之间的距离等于干涉图案的周期。VBG处的光衍射符合布拉格定律：
[0006][0007]其中，λ为波长，n为光敏介质的平均折射率，d为具有均匀折射率的层之间的距离，并且θ是光束传播方向与均匀折射率平面之间的角度。该公式表明，虽然VBG是具有窄光谱和角度接受度的窄带器件，但常规VBG的一个重要特征是可调谐性。改变入射角可以将VBG
调谐到不同的谐振波长。
[0008]体布拉格掩模(VPM)是通过幅度掩模将PTR玻璃板暴露于UV辐射而制成的，其中幅度掩模是通过常规或概率光刻方法产生的。该技术能够在各自具有平坦的抛光表面的玻璃板内制造复杂的相位掩模(PM)，其中平坦的抛光表面对激光辐射和光学器件的表面污染具有高抵抗力。
[0009]最近，全息体相位掩模(HPM)的最新发展已经克服了窄带限制。HPM是通过在VBG中并入体相位掩模而产生的光学元件。该方法在由VBG衍射的光束中产生期望的分布。具体地，HPM是通过将期望相位信息嵌入到透射式VBG上并且将其全息地记录到厚PTR玻璃介质中来产生的。因此，HPM的操作使得衍射模式的相位分布与在HPM的制造期间使用的记录UV光束的相位分布相同，而与衍射波长无关。在使用时，如此制造的HPM将其自己的相位分布嵌入到衍射模式上。这与常规VBG相反，常规VBG在使用时根据入射光束的相位分布对模式进行衍射。这意味着与常规表面或体PM相反，HPM是在光敏介质的透明窗口内可调的器件。对于PTR玻璃，该窗口为350至2700nm。通过HPM的角度调谐来演示将高斯模式转换为不同的空间模式，反之亦然。
[0010]HPM的光束整形能力已经在包括HPM与两个表面光栅的组合在内的光学配置中得到利用。这种配置使得能够在至少300nm频率范围内对宽带或多波长光束(诸如飞秒(fs)光束)进行消色差模式转换。此外，多个HPM可以记录在同一PTR体积中，这允许以不同波长和不同空间模式传播的若干个宽带光束相乘。因此，HPM能够提供多个宽带激光光束的空间转换和空间组合。
[0011]美国专利申请No.62/970,001中公开了HPM技术的进一步发展。该申请教导了一种当记录UV光束的参数提供宽光谱接受度时在PTR体积中进行HPM记录的方法。已发现在该光谱接受度内，任何光谱分量的相位侵入都是相同的。因此，通过所公开的方法生产的HPM是单片式的且消色差的并且不需要表面光栅。
[0012]上面公开的HPM已经用在激光光束在激光腔外部的自由空间中传播的环境中，这实际上是激光模式整形的典型方法，以便获得模式的期望空间分布和传播特性。然而，在谐振器内对激光模式进行整形确保了增益优先耦合到所规定的空间模式分布中，从而使损耗最小化。
[0013]因此，需要一种配备有腔内HPM的宽带激光器，该腔内HPM在宽带激光谐振器内操作以提供各种整形模式之间的模式转换。

技术实现思路

[0014]这种需要通过所公开的包含HPM的激光器配置来满足，该HPM是能够对宽带光束进行横向模式整形的消色差且可调谐的衍射元件。下面公开了若干个专利技术方面及其各自的特征，并且它们在概念上和结构上交织在一起，使得下面公开的具体特征中的每一个可以与一个或多个其他特征组合。
[0015]根据本公开的基本特征，被配置为产生预定横向模式的辐射的谐振器包括HPM，该HPM被调谐到布拉格角以衍射预定横向模式的一部分。在衍射时，HPM将其相位分布编码在与预定模式不同的衍射横向模式上。因此，HPM用作输出耦合器，其引导谐振器外部的具有如下光谱宽度的衍射横向模式：该光谱宽度至多等于HPM的光谱宽度。
[0016]宽带谐振器被配置为支持具有高斯相位分布的基本模式。通常，激光源及其泵浦方案提供具有高斯相位分布的最相干光束的空间分布。因此，HPM被配置为提供高斯模式到复杂TEM
nm
、拉格
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高斯LG
mn
、艾里、贝塞尔和其他复杂模式形状的转换，并返回到高斯模式(如果需要的话)。
[0017]然而，所公开的谐振器不限于仅支持高斯模式，并且可以被配置为支持多个高阶模式。这种激光器被称为多模(MM)激光器。因此，在该方面的进一步发展中，HPM被配置有高达至少300nm的光谱宽度，以提供非高斯模式或复杂模式之间的相位转换。
[0018]根据另一特征，宽带谐振器是平面的，并且被限定在间隔开的两个反射器之间。谐振器还本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种激光器，包括：谐振腔，被配置为产生在传播平面中振荡的预定横向模式的辐射；以及宽带全息相位掩模HPM，安装在所述谐振腔中并且其相位分布与所述预定横向模式的相位分布不同，所述HPM被调谐到布拉格角，以便衍射所产生的辐射的一部分，所述部分具有高达所述HPM的带宽的光谱宽度并且在期望横向模式下传播，其中，所述HPM的相位分布在横向于所述传播平面延伸的衍射平面中。2.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述谐振腔还配置有：界定所述谐振腔的多个间隔开的反射器，至少一个反射器是高反射率HR镜，以及向内与所述反射器间隔开的增益元件。3.根据权利要求2所述的激光器，其中，所述间隔开的反射器包括位于所述HPM侧面的两个HR镜，所述HPM用作输出耦合器，所述输出耦合器衍射在所述谐振腔外部的衍射平面中传播的期望横向模式。4.根据权利要求3所述的激光器，其中，在所述衍射平面中沿相反方向从所述谐振腔输出所述期望横向模式的衍射辐射，每个方向取决于所述预定横向模式在所述两个HR镜之间的传播平面中的传播方向。5.根据权利要求4所述的激光器，还包括附加HR镜，所述附加HR镜在所述衍射平面中与所述HPM间隔开并且被安装成反射在所述衍射平面中沿所述相反方向中的一个方向传播的输出横向模式，使得两个衍射横向模式在所述一个方向的相反方向上从所述谐振腔解耦。6.根据权利要求5所述的激光器，其中，所述附加HR镜能够在所述衍射平面中移位，以控制所输出的期望横向模式的相位侵入的差异，使得所述期望横向模式在沿所述相反方向从所述谐振腔解耦的同时彼此相长干涉。7.根据权利要求3所述的激光器，其中，所述HPM具有被选择为能够实现最佳输出耦合的衍射效率。8.根据权利要求2所述的激光器，其中，所述间隔开的反射器之一是与所述HR镜间隔开的部分反射PR镜，所述HPM被安装为衍射沿法向入射在所述PR镜上的期望横向模式，所述PR镜被配置为将所述期望横向模式的一部分反射到所述谐振腔中并且将其剩余部分从所述谐振腔解耦。9.根据权利要求8所述的激光器，其中，所述PR镜配置有被选择为以期望功率提供所述期望横向模式的衍射辐射的反射系数。10.根据权利要求8所述的激光器，其中，所述PR...

【专利技术属性】
技术研发人员：伊万，
申请(专利权)人：IPG光子公司，
类型：发明
国别省市：