基于缺陷镜的空心结构光束直接产生研究

周伦滨,王冬,徐斌∗,廖廷俤

(1厦门大学电子科学与技术学院,福建 厦门 361005;2泉州师范学院光子技术研究中心,福建 泉州 362000)

0 引言

随着近年来激光技术的发展及其应用的拓展,在光场调控领域,一系列中心光强为零的新颖空心光束得到了广泛的研究。由于空心光束独特的物理性质,如环形的光强分布和中心暗斑的存在,使其在粒子操纵和微纳米加工技术方面有极高的应用价值[1]。拉盖尔-高斯(LG)光束是空心光束的一种,因其携带轨道角动量的特点,在光通信[2]、量子纠缠[3]和超分辨成像[4]等领域有巨大的应用潜力。

LG光束的传统产生方式多是利用既有的激光器对高斯光场进行改造来获得的。例如利用一系列特殊的光学元件,通过模式转换或相位控制等方式实现LG光束输出[5−10]。但在既有激光器外再额外增加这些光学元件无疑使得激光系统变得更复杂、成本增加;而且光束的准直难度也较大,对输出激光的功率以及光束质量都有影响。LG光束是圆柱对称激光谐振腔的本征模式,因而理论上从谐振腔中直接获得LG光束是可行的。而且,由于是从谐振腔中直接产生,因而该方法获得的LG光束兼具了端面泵浦固体激光高功率、高效率、高稳定性等优势,迅速得到了科研人员的关注。激光晶体的热透镜效应[11]、微调节激光晶体的俯仰[12]和腔内像散[13−15]等方法相继被开发出来直接获得涡旋激光输出。然而,目前这些方法获得的都是最低阶涡旋激光输出,而轨道角动量光束的很多应用中需要大的轨道角动量数,当前这些直接产生涡旋激光的方法在高阶涡旋光的产生中面临着自身无法解决的困难和挑战。

通过控制腔内模式增益和损耗可以达到输出空心光束的目的[16−22],缺陷镜是其中最有效的方法之一。该方法通过制备缺陷镜对谐振腔内低阶横模造成损耗,使得高阶横模的阈值比低阶横模的阈值低,因而起到抑制低阶横模、直接获得高阶横模的效果。高阶横模光束比低阶横模光束具有更大的横向尺寸,因此可以在固体激光谐振腔端面输出镜上制备大小合适的点缺陷来实现这一目的。缺陷镜方法在高阶涡旋激光的产生方面具有巨大潜力[20],但从当前的研究现状来看,这种方法主要用于产生连续波涡旋光[20−22],脉冲涡旋光的研究相对较少[23],尤其是尚无调Q脉冲运转的相关报道。本文工作中制备了点缺陷镜,并将其用于连续波高阶涡旋光的直接产生研究,进而通过在激光谐振腔内插入可饱和吸收体,实现具有正反手性的高阶涡旋光同时被动调Q输出。

1 实验装置

全固态端面泵浦Nd:YVO4激光晶体直接产生空心结构光束的实验装置示意图如图1(a)所示。泵浦源为光纤耦合的半导体激光器,中心波长约808 nm,纤芯直径约400µm,数值孔径为0.22。泵浦光束经由焦距为50 mm的透镜准直后由60 mm的透镜聚焦到激光增益介质中。因此,泵浦光束光斑尺寸被放大了6/5倍,其在增益介质内的束腰尺寸约为480µm。实验中所使用的激光谐振腔是一个物理长度约为30 mm的线性腔。输入镜为曲率半径为50 mm的曲面镜,对泵浦光高透,对1064 nm激光反射率大于99.9%。输出镜是平面镜,对激光波长的透射率约为1.8%。相比于常见的1064 nm固体激光器,本研究所使用的输出镜透过率要低很多,这主要是考虑到要在该输出平面镜上制备点缺陷,而点缺陷对输出激光将产生较大的损耗,因此所选用的输出镜透过率较低,以期减小损耗,保证激光输出。在点缺陷制备过程中,将355 nm皮秒激光聚焦到镜片表面膜层,逐步加大皮秒激光脉冲能量,从而将膜层完全破坏掉,形成不同尺寸的缺陷圆点,点缺陷如图1(b)、(c)所示。实验中使用的激光晶体为a切Nd:YVO4,Nd3+的掺杂浓度为0.5 at.%,截面面积为3 mm×3 mm,沿谐振腔轴线方向的长度为5 mm。为了减轻晶体的热透镜效应,用铟箔包裹晶体并安装在铜块内,铜块与水温设定为16◦C的水冷机相连。在被动调Q过程中,使用的饱和吸收体为初始透过率为90.1%的Cr:YAG晶体,为了减小损耗,该吸收体的前后面镀有针对激光波长的增透膜。

图1 (a)被动调Q状态下半导体激光泵浦Nd:YVO4激光器的示意图;(b)点缺陷输出镜和(c)直径约为80µm的点缺陷Fig.1 (a)Schematic of diode-pumped Nd:YVO4laser in passively Q-switched regime;(b)The used output coupler with inscribed spot defect and(c)spot defect with a diameter of about 80µm

2 实验结果与分析

实验中,首先获得了连续波高斯模式输出,借此优化激光系统,降低系统损耗。进而,在垂直于腔轴方向缓慢平移输出镜到点缺陷位置,小的点缺陷尺寸引入的损耗有限,因而激光阈值低,再配合激光谐振腔腔长的调整,获得了轨道角动量数为1的LG模式激光输出,即LG01模式。该LG01模式激光的阈值功率约为120 mW吸收功率,在吸收功率为3.3 W时输出功率约为890 mW,LG01模式的光斑如图2(a)所示,中空的强度分布清晰可见。为了进一步验证该涡旋光,采用一个平凹镜来观察该输出空心光束的相干条纹[12],该平凹镜的平面未镀膜,而凹面镀有对1064 nm激光部分透过的介质膜,为了获得清晰且对比度强的干涉条纹,一般要求从平面和凹面反射的激光强度相差不大。通过凹面镜发射回来的球面波与平面反射的涡旋光场相干涉,产生如图2(b)、(c)所示的涡旋状条纹。其中图2(b)所示为逆时针方向条纹,而图2(c)为顺时针方向条纹,该方向性表明了涡旋光的手性,也即本实验中获得了LG01和LG0,−1模式。需要指出的是,该谐振腔本身具有较好的对称性,无法对这两种手性的涡旋光进行甄别,也即理论上这两种手性的涡旋光都可以从该谐振腔中直接输出。实验中,这两种手性涡旋光的变换是通过微调节激光晶体俯仰或微调节泵浦光打到激光晶体的位置来实现的,这些操作的目的都是为了导致晶体中的温度梯度发生变化,从而改变激光晶体的热透镜效应[24],进而影响坡印亭矢量传播的对称性,使相反手性的涡旋光之间产生足够的损耗差,其中损耗更小的涡旋光得以输出。

图2 (a)LG01模式的激光光斑;(b)逆时针干涉条纹;(c)顺时针干涉条纹Fig.2 (a)Beam spot of LG01laser mode;(b)Anticlockwise interference stripe;(c)Clockwise interference stripe

缺陷镜法的巨大优势在于能够获得高阶LG光束,如果a表示输出镜上的点缺陷半径,w是输出镜上基模光束的半径,那么有如下表达式[20]

式中:l是轨道角动量数,T是输出镜的透过率。绘制了两个典型点缺陷尺寸情况下的基模尺寸随轨道角动量数的变化曲线,如图3所示。该图清楚地表明:要获得大的轨道角动量数,必须构建一个基模光束尺寸较小的激光谐振器。而且,为了获得相同轨道角动量数的涡旋光束,小尺寸点缺陷要求输出镜上的基模光斑尺寸更小。实验中,基模光斑尺寸取决于激光谐振腔的设计和激光增益介质热透镜效应的综合作用。

图3 两种不同尺寸点缺陷的基模光斑尺寸随轨道角动量数的变化曲线Fig.3 Variation curve of fundamental mode size with orbital angular momentum of two different spot defect sizes

另一方面,由图3可以发现,与小尺寸点缺陷相比,对于某一特定的基模尺寸,大尺寸点缺陷可以获得更大的轨道角动量数。然而,需要指出的是,大尺寸的点缺陷会产生大的腔内损耗,导致激光输出阈值变高,激光输出功率减小,从而降低输出激光的性能,实际应用中应该根据需求选择合适大小的点缺陷。该实验中,为了获得更高阶的连续波涡旋光,采用了一个约180µm的点缺陷来进行涡旋激光实验,这种情况下所产生的涡旋光最高阶数为16,图4所示为该16阶涡旋激光器的输出功率与吸收功率的关系。其中,阈值功率增加到约1.6 W,且在吸收功率为3.3 W时最大输出功率约为280 mW。与LG01模式相比,阈值功率大幅提高,最大输出功率大幅降低。实验中发现该16阶涡旋光的稳定性很好,从阈值到最大输出功率,其轨道角动量数保持不变,这可能意味着在这种较低泵浦水平下Nd:YVO4晶体的热透镜效应没有明显变化。通过线性拟合实验数据得到该激光的斜效率约为18.6%。

图4 16阶连续波LG光束的输出功率特性Fig.4 Output power characteristic of continuous-wave LG mode laser

实际操作中,高阶LG模式的验证通常通过将其转换成具有相应阶数的厄米-高斯(HG)模式光束来确定,这种转换可以利用所谓的π/2模式转换器来实现。实验中,采用两个相同焦距的柱面透镜组成该模式转换器,焦距为25 mm。在测量过程中,两个透镜之间的距离约为35.4 mm,即焦距的倍。上述16阶LG模式的典型光斑及转换后的HG模式如图5所示。在以上高斯模式、低阶和高阶涡旋光实验中,没有观察到激光波长的变换,输出激光具有相同的波长,峰值在1063.8 nm,典型的激光波长如图6所示。

图5 (a)16阶LG模式的典型光斑及(b)转换后的HG模式Fig.5 (a)Typical spot of 16th order LG mode and(b)converted HG mode

图6 连续波LG光束的激光光谱Fig.6 Laser spectrum of the LG mode beam in continuous-wave mode

在上述实验的基础上,将Cr:YAG插入Nd:YVO4晶体与点缺陷镜之间的腔中,实现了被动调Q的空心光束脉冲激光器。图7(a)、(b)分别显示了吸收功率约为1.7 W(阈值)和2.8 W(最大稳定输出)时的输出光束光斑。这一结果表明:与相应的连续波空心光束相比,脉冲激光的光斑分裂成花瓣状光斑,同时空心区域变小。该花瓣状光斑的产生意味着激光谐振腔中同时存在了手性相反的两种模式涡旋光[25−27]。在之前的连续波实验中,可以通过微调节激光晶体的位置和俯仰来实现输出涡旋光的手性变化,然而在该脉冲激光情况下,很明显在插入可饱和吸收体后该方法失去了作用。可能的原因解释如下:在保证获得激光输出的前提下,利用热透镜效应提供的在轨道角动量数相同但手性相反的两种LG模式的损耗差有一定范围。在连续波工作时,这个损耗差足以保证在其中一个LG模式振荡时腔内增益被消耗,不足以使另一个LG模式起振。但是随着可饱和吸收体插入,在其未饱和时增益得到积累;饱和之后,一个LG模式的振荡不足以完全消耗掉该增益,无法抑制另一个LG模式的起振。而且,实验发现无论吸收功率水平如何,输出光束始终显示24个波瓣,即同时存在手性相反的两个LG0,12模式。

图7 被动调Q运转时在吸收功率分别为(a)1.7 W和(b)2.8 W时的光斑Fig.7 Beam spot of the passively Q-switched state at a absorbed power of(a)1.7 W and(b)2.8 W,respectively

该中空花瓣状结构光的脉冲宽度和重复频率随吸收功率的变化如图8所示,随着吸收功率增加,脉冲重复频率几乎线性增加:阈值处的重频为88.8 kHz,最大稳定输出时的重频为229.1 kHz;而脉冲宽度单调减小,阈值时脉宽约为922 ns,最大稳定输出时的脉宽约为232 ns。图9(a)、(b)分别给出了吸收功率约为1.9 W和2.5 W时的脉冲序列和单脉冲宽度,对应的数据分别为(115.7 kHz,736 ns)和(209.2 kHz,363 ns)。需要指出的是,在2.8 W吸收功率时获得的该24瓣空心结构光的平均输出功率约为30 mW;进一步增加泵浦功率,输出脉冲激光的重复序列稳定性变差,这种现象常见的解释是残余泵浦光对可饱和吸收体的影响造成的,本实验中可饱和吸收体未有任何制冷保护。

图8 (a)脉冲重复频率和(b)脉冲宽度随吸收功率的变化Fig.8 Variation of(a)pulse repetition rate and(b)pulse width with absorbed power

图9 吸收功率分别为(a)1.9 W和(b)2.5 W的被动调Q空心光束的单脉冲波形和脉冲序列Fig.9 Typical single pulse and pulse trains of passively Q-switched hollow beam at absorbed power of(a)1.9 W and(b)2.5 W,respectively

3 结论

用点缺陷镜做出耦合输出镜,报道了连续波和被动调Q空心结构光的实验研究。连续波情况下,吸收功率为3.3 W时,用80µm点缺陷获得了LG01模式,其最大输出功率达到890 mW;用180µm点缺陷获得了LG0,16模式,其最大输出功率达到280 mW。在被动调Q模式下,获得了24瓣的空心结构光输出,即LG0,+12和LG0,−12两种涡旋光同时输出;在吸收功率为2.8 W时,观察到最短脉冲宽度约为232 ns,最大脉冲重复频率约为229.1 kHz。接下来,将通过进一步优化该激光中泵浦光尺寸和谐振腔设计,同时优化点缺陷的制备质量和尺寸,力求获得更高阶、更高性能的连续波涡旋激光输出;针对脉冲运转模式,除了与连续波相同的性能追求外,还需进一步选择和控制涡旋光的手性,使其输出具有稳定手性的涡旋光。