【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及超快光学与光场调控领域，具体涉及一种涡旋空气激光的产生装置与方法。
技术介绍
1、涡旋光是具有空间螺旋相位结构和本征光子轨道角动量(oam)的一种特殊的结构光场，作为光场调控的研究前沿，在高容量光通信、高密度光存储、高分辨率成像等领域有着广阔的应用前景。传统的涡旋光通常利用螺旋相位板、空间调制器等方式产生，由于这些元器件损伤阈值的限制，为了产生高强度的涡旋光，研究人员也开始探索涡旋光的放大行为[可参阅j.qian et al.,photonics res.8,421-425(2020)；h.tong et al.,opt.lett.45,989-992(2020)]。空气激光是飞秒激光激发空气等离子体产生的相干激射，是以等离子体为增益介质的无腔放大行为[可参阅p.polynkin and y.cheng,air lasing,springer international publishing,switzerland,2018；姚金平,程亚,中国激光47,0500005(2020)]。2023年，研究人员将涡旋光引入到空气激光研究中，成功产生了涡旋空气激光[可参阅y.hu etal.,optica 10,682-687(2023)；j.gao et al.,commun.phys.6,97(2023)]。研究发现，涡旋泵浦光可以在等离子体中直接产生涡旋空气激光，同时也可以将外加高斯种子脉冲放大成为涡旋空气激光[可参阅j.gao et al.,commun.phys.6,97(2023)]。同样，携带oam(l＝±1)
技术实现思路
1、为了进一步推动涡旋空气激光的实际应用，本专利技术旨在提供一种涡旋空气激光的产生装置与方法，采用截断等离子体光丝的方法优化涡旋空气激光品质，具有操作简单、稳定性高、通用性和扩展性强的优点。同时，涡旋空气激光实现了涡旋光束的进一步放大和传输，这在自由空间光通信、远程传感以及量子中继等领域具有重要意义及潜在应用价值。
2、本专利技术的技术解决方案如下：
3、一种涡旋空气激光的产生装置，其特点在于，包括沿光束传输方向设置的聚焦透镜、气腔ⅰ、钢片、气腔ⅱ和准直透镜；所述气腔ⅰ内充有固定浓度的纯n2，所述气腔ⅱ内为真空状态，上方设有侧向视窗，所述钢片用于将气腔ⅰ和气腔ⅱ内部隔开，使所述气腔ⅰ和气腔ⅱ内形成梯度气压；
4、当泵浦脉冲和和涡旋种子脉冲通过所述聚焦透镜进入气腔ⅰ后，泵浦脉冲经聚焦形成等离子体光丝，并所述钢片中心刻蚀出一个圆形针孔，涡旋种子脉冲聚焦于光丝中部，通过侧向视窗观察，确保钢片将等离子体丝后端截掉，形成的涡旋空气激光在等离子体丝中部放大后输出，相位信息完整且环上光斑分布均匀。
5、所述聚焦透镜和准直透镜均置于电动位移台之上，用于调节等离子体丝相对于钢片的位置，进而改变截丝位置；所述的侧向视窗，用于观察、确定截丝位置。
6、进一步，还包括红外飞秒激光器、分束镜、第一反射镜、bbo晶体、第一双色镜、第一带通滤波片、第一可调衰减片、第二反射镜、螺旋相位板、回射镜、合束镜、第二双色镜、第二可调衰减片、第二带通滤波片、柱透镜、ccd相机；
7、所述近红外飞秒激光器输出中心波长为800nm的飞秒激光，经分束镜分为两束；一束经由第一反射镜反射和bbo晶体倍频，产生中心波长为400nm的种子脉冲；经过第一双色镜、第一带通滤波片和第一可调衰减片滤波，获得强度适宜、中心波长为391nm的种子光；之后经第二反射镜和螺旋相位板，变为涡旋种子光；另一束作为泵浦光，经回射镜，与涡旋种子光脉冲在合束镜处合为一束。
8、进一步，所述涡旋空气激光经准直透镜准直和第二双色镜、第二可调衰减片、第二带通滤波片滤波后，由柱透镜聚焦成像于ccd相机上。
9、进一步，所述的第一双色镜和第二双色镜在800nm波段高反射，400nm波段高透射，用于滤除残余泵浦；所述的第一带通滤波片和第二带通滤波片在391nm波段高透射，用于获得纯净的涡旋种子或涡旋空气激光；所述的第一可调衰减片和第二可调衰减片用于调节脉冲能量。
10、进一步，所述的螺旋相位板将高斯种子脉冲变为具有空间螺旋相位结构和本征光子轨道角动量的涡旋种子脉冲。
11、进一步，所述的回射镜置于电动位移台之上，用于调节泵浦和种子脉冲之间的时间延迟。
12、进一步，所述的柱透镜用于测量涡旋光束的拓扑荷数。
13、另一方面，本专利技术还提供一种涡旋空气激光的产生方法，其特点在于，包括步骤：
14、s1.钢片紧贴气腔ⅰ的出气口，将气腔ⅰ和气腔ⅱ内部隔开，构建具有压差的气腔ⅰ和气腔ⅱ；
15、s2.当泵浦脉冲和和涡旋种子脉冲通过所述聚焦透镜进入气腔ⅰ后，泵浦脉冲经聚焦形成等离子体光丝，并所述钢片中心刻蚀出一个圆形针孔，涡旋种子脉冲聚焦于光丝中部，通过侧向视窗观察，并移动聚焦透镜的位置，使钢片将等离子体丝后端截掉，形成的涡旋空气激光在等离子体丝中部放大后输出，相位信息完整且环上光斑分布均匀。
16、进一步，所述s1.构建有压差的气腔ⅰ和气腔ⅱ，具体是：
17、对所述气腔ⅰ持续充入纯n2，气压表示数不变，气压恒定；对所述气腔ⅱ持续抽气，气压表读数很小，接近为真空状态。
18、与现有技术相比，本专利技术的技术效果如下:
19、1)采用双气腔结构结合梯度气压的方式，将等离子体丝的后端截掉，而前端难以产生显著的等离子体放大，从而使得只有中间均匀的等离子体部分被有效利用，具有实验装置简单，实验操作方便，适用面广，通用性强的优点。
20、2)利用高度柱对称的等离子体丝中部进行了涡旋空气激光放大，避免了非均匀的等离子体丝后端对其涡旋特性的破坏，获得了波前结构稳定、涡旋相位完整、环形空间分布的涡旋空气激光，为提高涡旋空气激光品质，产生拓扑荷大于1的高阶涡旋空气激光，以及推动涡旋空气激光的实际应用提供了简单有效方法和装置。
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1.一种涡旋空气激光的产生装置，其特征在于，包括沿光束传输方向设置的聚焦透镜、气腔Ⅰ、钢片、气腔Ⅱ和准直透镜；所述气腔Ⅰ内充有固定浓度的纯N2，所述气腔Ⅱ内为真空状态，上方设有侧向视窗，所述钢片用于将气腔Ⅰ和气腔Ⅱ内部隔开，使所述气腔Ⅰ和气腔Ⅱ内形成梯度气压；
2.根据权利要求1所述的涡旋空气激光的产生装置，其特征在于，所述聚焦透镜和准直透镜均置于电动位移台之上，用于调节等离子体丝相对于钢片的位置，进而改变截丝位置；所述的侧向视窗，用于观察、确定截丝位置。
3.根据权利要求1或2所述的涡旋空气激光的产生装置，其特征在于，还包括用于产生泵浦脉冲和涡旋种子脉冲的近红外飞秒激光器、分束镜、第一反射镜、BBO晶体、第一双色镜、第一带通滤波片、第一可调衰减片、第二反射镜、螺旋相位板、回射镜和合束镜；
4.根据权利要求3所述的涡旋空气激光的产生装置，其特征在于，还包括第二双色镜、第二可调衰减片、第二带通滤波片、柱透镜、CCD相机；所述涡旋空气激光经准直透镜准直和第二双色镜、第二可调衰减片、第二带通滤波片滤波后，由柱透镜聚焦成像于CCD相机上。
6.根据权利要求4所述的涡旋空气激光的产生装置，其特征在于，所述的螺旋相位板将高斯种子脉冲变为具有空间螺旋相位结构和本征光子轨道角动量的涡旋种子脉冲。
7.根据权利要求4所述的涡旋空气激光的产生装置，其特征在于，所述的回射镜置于电动位移台之上，用于调节泵浦和种子脉冲之间的时间延迟。
8.根据权利要求4所述的涡旋空气激光的产生装置，其特征在于，所述的柱透镜用于测量涡旋光束的拓扑荷数。
9.一种涡旋空气激光的产生方法，其特征在于，包括步骤：
10.根据权利要求9所述的涡旋空气激光的产生方法，其特征在于，所述S1.构建有压差的气腔Ⅰ和气腔Ⅱ，具体是：
...【技术特征摘要】
1.一种涡旋空气激光的产生装置，其特征在于，包括沿光束传输方向设置的聚焦透镜、气腔ⅰ、钢片、气腔ⅱ和准直透镜；所述气腔ⅰ内充有固定浓度的纯n2，所述气腔ⅱ内为真空状态，上方设有侧向视窗，所述钢片用于将气腔ⅰ和气腔ⅱ内部隔开，使所述气腔ⅰ和气腔ⅱ内形成梯度气压；
2.根据权利要求1所述的涡旋空气激光的产生装置，其特征在于，所述聚焦透镜和准直透镜均置于电动位移台之上，用于调节等离子体丝相对于钢片的位置，进而改变截丝位置；所述的侧向视窗，用于观察、确定截丝位置。
3.根据权利要求1或2所述的涡旋空气激光的产生装置，其特征在于，还包括用于产生泵浦脉冲和涡旋种子脉冲的近红外飞秒激光器、分束镜、第一反射镜、bbo晶体、第一双色镜、第一带通滤波片、第一可调衰减片、第二反射镜、螺旋相位板、回射镜和合束镜；
4.根据权利要求3所述的涡旋空气激光的产生装置，其特征在于，还包括第二双色镜、第二可调衰减片、第二带通滤波片、柱透镜、ccd相机；所述涡旋空气激光经准直透镜准直和第二双色镜、第二可调衰减片、第二带通滤波片滤波后，由柱透镜...
【专利技术属性】
技术研发人员：姚金平，巩荣玉，沈博，张宁，黄舜林，薛鹏宇，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：
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