基于缺陷鏡的空心結(jié)構(gòu)光束直接產(chǎn)生研究

周倫濱,王冬,徐斌?,廖廷俤

(1廈門大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,福建 廈門 361005;2泉州師范學(xué)院光子技術(shù)研究中心,福建 泉州 362000)

0 引言

隨著近年來激光技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用的拓展,在光場調(diào)控領(lǐng)域,一系列中心光強(qiáng)為零的新穎空心光束得到了廣泛的研究。由于空心光束獨(dú)特的物理性質(zhì),如環(huán)形的光強(qiáng)分布和中心暗斑的存在,使其在粒子操縱和微納米加工技術(shù)方面有極高的應(yīng)用價(jià)值[1]。拉蓋爾-高斯(LG)光束是空心光束的一種,因其攜帶軌道角動(dòng)量的特點(diǎn),在光通信[2]、量子糾纏[3]和超分辨成像[4]等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力。

LG光束的傳統(tǒng)產(chǎn)生方式多是利用既有的激光器對高斯光場進(jìn)行改造來獲得的。例如利用一系列特殊的光學(xué)元件,通過模式轉(zhuǎn)換或相位控制等方式實(shí)現(xiàn)LG光束輸出[5?10]。但在既有激光器外再額外增加這些光學(xué)元件無疑使得激光系統(tǒng)變得更復(fù)雜、成本增加;而且光束的準(zhǔn)直難度也較大,對輸出激光的功率以及光束質(zhì)量都有影響。LG光束是圓柱對稱激光諧振腔的本征模式,因而理論上從諧振腔中直接獲得LG光束是可行的。而且,由于是從諧振腔中直接產(chǎn)生,因而該方法獲得的LG光束兼具了端面泵浦固體激光高功率、高效率、高穩(wěn)定性等優(yōu)勢,迅速得到了科研人員的關(guān)注。激光晶體的熱透鏡效應(yīng)[11]、微調(diào)節(jié)激光晶體的俯仰[12]和腔內(nèi)像散[13?15]等方法相繼被開發(fā)出來直接獲得渦旋激光輸出。然而,目前這些方法獲得的都是最低階渦旋激光輸出,而軌道角動(dòng)量光束的很多應(yīng)用中需要大的軌道角動(dòng)量數(shù),當(dāng)前這些直接產(chǎn)生渦旋激光的方法在高階渦旋光的產(chǎn)生中面臨著自身無法解決的困難和挑戰(zhàn)。

通過控制腔內(nèi)模式增益和損耗可以達(dá)到輸出空心光束的目的[16?22],缺陷鏡是其中最有效的方法之一。該方法通過制備缺陷鏡對諧振腔內(nèi)低階橫模造成損耗,使得高階橫模的閾值比低階橫模的閾值低,因而起到抑制低階橫模、直接獲得高階橫模的效果。高階橫模光束比低階橫模光束具有更大的橫向尺寸,因此可以在固體激光諧振腔端面輸出鏡上制備大小合適的點(diǎn)缺陷來實(shí)現(xiàn)這一目的。缺陷鏡方法在高階渦旋激光的產(chǎn)生方面具有巨大潛力[20],但從當(dāng)前的研究現(xiàn)狀來看,這種方法主要用于產(chǎn)生連續(xù)波渦旋光[20?22],脈沖渦旋光的研究相對較少[23],尤其是尚無調(diào)Q脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)的相關(guān)報(bào)道。本文工作中制備了點(diǎn)缺陷鏡,并將其用于連續(xù)波高階渦旋光的直接產(chǎn)生研究,進(jìn)而通過在激光諧振腔內(nèi)插入可飽和吸收體,實(shí)現(xiàn)具有正反手性的高階渦旋光同時(shí)被動(dòng)調(diào)Q輸出。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

全固態(tài)端面泵浦Nd:YVO4激光晶體直接產(chǎn)生空心結(jié)構(gòu)光束的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1(a)所示。泵浦源為光纖耦合的半導(dǎo)體激光器,中心波長約808 nm,纖芯直徑約400μm,數(shù)值孔徑為0.22。泵浦光束經(jīng)由焦距為50 mm的透鏡準(zhǔn)直后由60 mm的透鏡聚焦到激光增益介質(zhì)中。因此,泵浦光束光斑尺寸被放大了6/5倍,其在增益介質(zhì)內(nèi)的束腰尺寸約為480μm。實(shí)驗(yàn)中所使用的激光諧振腔是一個(gè)物理長度約為30 mm的線性腔。輸入鏡為曲率半徑為50 mm的曲面鏡,對泵浦光高透,對1064 nm激光反射率大于99.9%。輸出鏡是平面鏡,對激光波長的透射率約為1.8%。相比于常見的1064 nm固體激光器,本研究所使用的輸出鏡透過率要低很多,這主要是考慮到要在該輸出平面鏡上制備點(diǎn)缺陷,而點(diǎn)缺陷對輸出激光將產(chǎn)生較大的損耗,因此所選用的輸出鏡透過率較低,以期減小損耗,保證激光輸出。在點(diǎn)缺陷制備過程中,將355 nm皮秒激光聚焦到鏡片表面膜層,逐步加大皮秒激光脈沖能量,從而將膜層完全破壞掉,形成不同尺寸的缺陷圓點(diǎn),點(diǎn)缺陷如圖1(b)、(c)所示。實(shí)驗(yàn)中使用的激光晶體為a切Nd:YVO4,Nd3+的摻雜濃度為0.5 at.%,截面面積為3 mm×3 mm,沿諧振腔軸線方向的長度為5 mm。為了減輕晶體的熱透鏡效應(yīng),用銦箔包裹晶體并安裝在銅塊內(nèi),銅塊與水溫設(shè)定為16?C的水冷機(jī)相連。在被動(dòng)調(diào)Q過程中,使用的飽和吸收體為初始透過率為90.1%的Cr:YAG晶體,為了減小損耗,該吸收體的前后面鍍有針對激光波長的增透膜。

圖1 (a)被動(dòng)調(diào)Q狀態(tài)下半導(dǎo)體激光泵浦Nd:YVO4激光器的示意圖;(b)點(diǎn)缺陷輸出鏡和(c)直徑約為80μm的點(diǎn)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 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中,首先獲得了連續(xù)波高斯模式輸出,借此優(yōu)化激光系統(tǒng),降低系統(tǒng)損耗。進(jìn)而,在垂直于腔軸方向緩慢平移輸出鏡到點(diǎn)缺陷位置,小的點(diǎn)缺陷尺寸引入的損耗有限,因而激光閾值低,再配合激光諧振腔腔長的調(diào)整,獲得了軌道角動(dòng)量數(shù)為1的LG模式激光輸出,即LG01模式。該LG01模式激光的閾值功率約為120 mW吸收功率,在吸收功率為3.3 W時(shí)輸出功率約為890 mW,LG01模式的光斑如圖2(a)所示,中空的強(qiáng)度分布清晰可見。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該渦旋光,采用一個(gè)平凹鏡來觀察該輸出空心光束的相干條紋[12],該平凹鏡的平面未鍍膜,而凹面鍍有對1064 nm激光部分透過的介質(zhì)膜,為了獲得清晰且對比度強(qiáng)的干涉條紋,一般要求從平面和凹面反射的激光強(qiáng)度相差不大。通過凹面鏡發(fā)射回來的球面波與平面反射的渦旋光場相干涉,產(chǎn)生如圖2(b)、(c)所示的渦旋狀條紋。其中圖2(b)所示為逆時(shí)針方向條紋,而圖2(c)為順時(shí)針方向條紋,該方向性表明了渦旋光的手性,也即本實(shí)驗(yàn)中獲得了LG01和LG0,?1模式。需要指出的是,該諧振腔本身具有較好的對稱性,無法對這兩種手性的渦旋光進(jìn)行甄別,也即理論上這兩種手性的渦旋光都可以從該諧振腔中直接輸出。實(shí)驗(yàn)中,這兩種手性渦旋光的變換是通過微調(diào)節(jié)激光晶體俯仰或微調(diào)節(jié)泵浦光打到激光晶體的位置來實(shí)現(xiàn)的,這些操作的目的都是為了導(dǎo)致晶體中的溫度梯度發(fā)生變化,從而改變激光晶體的熱透鏡效應(yīng)[24],進(jìn)而影響坡印亭矢量傳播的對稱性,使相反手性的渦旋光之間產(chǎn)生足夠的損耗差,其中損耗更小的渦旋光得以輸出。

圖2 (a)LG01模式的激光光斑;(b)逆時(shí)針干涉條紋;(c)順時(shí)針干涉條紋Fig.2 (a)Beam spot of LG01laser mode;(b)Anticlockwise interference stripe;(c)Clockwise interference stripe

缺陷鏡法的巨大優(yōu)勢在于能夠獲得高階LG光束,如果a表示輸出鏡上的點(diǎn)缺陷半徑,w是輸出鏡上基模光束的半徑,那么有如下表達(dá)式[20]

式中:l是軌道角動(dòng)量數(shù),T是輸出鏡的透過率。繪制了兩個(gè)典型點(diǎn)缺陷尺寸情況下的基模尺寸隨軌道角動(dòng)量數(shù)的變化曲線,如圖3所示。該圖清楚地表明:要獲得大的軌道角動(dòng)量數(shù),必須構(gòu)建一個(gè)基模光束尺寸較小的激光諧振器。而且,為了獲得相同軌道角動(dòng)量數(shù)的渦旋光束,小尺寸點(diǎn)缺陷要求輸出鏡上的基模光斑尺寸更小。實(shí)驗(yàn)中,基模光斑尺寸取決于激光諧振腔的設(shè)計(jì)和激光增益介質(zhì)熱透鏡效應(yīng)的綜合作用。

圖3 兩種不同尺寸點(diǎn)缺陷的基模光斑尺寸隨軌道角動(dòng)量數(shù)的變化曲線Fig.3 Variation curve of fundamental mode size with orbital angular momentum of two different spot defect sizes

另一方面,由圖3可以發(fā)現(xiàn),與小尺寸點(diǎn)缺陷相比,對于某一特定的基模尺寸,大尺寸點(diǎn)缺陷可以獲得更大的軌道角動(dòng)量數(shù)。然而,需要指出的是,大尺寸的點(diǎn)缺陷會產(chǎn)生大的腔內(nèi)損耗,導(dǎo)致激光輸出閾值變高,激光輸出功率減小,從而降低輸出激光的性能,實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該根據(jù)需求選擇合適大小的點(diǎn)缺陷。該實(shí)驗(yàn)中,為了獲得更高階的連續(xù)波渦旋光,采用了一個(gè)約180μm的點(diǎn)缺陷來進(jìn)行渦旋激光實(shí)驗(yàn),這種情況下所產(chǎn)生的渦旋光最高階數(shù)為16,圖4所示為該16階渦旋激光器的輸出功率與吸收功率的關(guān)系。其中,閾值功率增加到約1.6 W,且在吸收功率為3.3 W時(shí)最大輸出功率約為280 mW。與LG01模式相比,閾值功率大幅提高,最大輸出功率大幅降低。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)該16階渦旋光的穩(wěn)定性很好,從閾值到最大輸出功率,其軌道角動(dòng)量數(shù)保持不變,這可能意味著在這種較低泵浦水平下Nd:YVO4晶體的熱透鏡效應(yīng)沒有明顯變化。通過線性擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到該激光的斜效率約為18.6%。

圖4 16階連續(xù)波LG光束的輸出功率特性Fig.4 Output power characteristic of continuous-wave LG mode laser

實(shí)際操作中,高階LG模式的驗(yàn)證通常通過將其轉(zhuǎn)換成具有相應(yīng)階數(shù)的厄米-高斯(HG)模式光束來確定,這種轉(zhuǎn)換可以利用所謂的π/2模式轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)中,采用兩個(gè)相同焦距的柱面透鏡組成該模式轉(zhuǎn)換器,焦距為25 mm。在測量過程中,兩個(gè)透鏡之間的距離約為35.4 mm,即焦距的倍。上述16階LG模式的典型光斑及轉(zhuǎn)換后的HG模式如圖5所示。在以上高斯模式、低階和高階渦旋光實(shí)驗(yàn)中,沒有觀察到激光波長的變換,輸出激光具有相同的波長,峰值在1063.8 nm,典型的激光波長如圖6所示。

圖5 (a)16階LG模式的典型光斑及(b)轉(zhuǎn)換后的HG模式Fig.5 (a)Typical spot of 16th order LG mode and(b)converted HG mode

圖6 連續(xù)波LG光束的激光光譜Fig.6 Laser spectrum of the LG mode beam in continuous-wave mode

在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,將Cr:YAG插入Nd:YVO4晶體與點(diǎn)缺陷鏡之間的腔中,實(shí)現(xiàn)了被動(dòng)調(diào)Q的空心光束脈沖激光器。圖7(a)、(b)分別顯示了吸收功率約為1.7 W(閾值)和2.8 W(最大穩(wěn)定輸出)時(shí)的輸出光束光斑。這一結(jié)果表明:與相應(yīng)的連續(xù)波空心光束相比,脈沖激光的光斑分裂成花瓣?duì)罟獍?同時(shí)空心區(qū)域變小。該花瓣?duì)罟獍叩漠a(chǎn)生意味著激光諧振腔中同時(shí)存在了手性相反的兩種模式渦旋光[25?27]。在之前的連續(xù)波實(shí)驗(yàn)中,可以通過微調(diào)節(jié)激光晶體的位置和俯仰來實(shí)現(xiàn)輸出渦旋光的手性變化,然而在該脈沖激光情況下,很明顯在插入可飽和吸收體后該方法失去了作用?？赡艿脑蚪忉屓缦?在保證獲得激光輸出的前提下,利用熱透鏡效應(yīng)提供的在軌道角動(dòng)量數(shù)相同但手性相反的兩種LG模式的損耗差有一定范圍。在連續(xù)波工作時(shí),這個(gè)損耗差足以保證在其中一個(gè)LG模式振蕩時(shí)腔內(nèi)增益被消耗,不足以使另一個(gè)LG模式起振。但是隨著可飽和吸收體插入,在其未飽和時(shí)增益得到積累;飽和之后,一個(gè)LG模式的振蕩不足以完全消耗掉該增益,無法抑制另一個(gè)LG模式的起振。而且,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)無論吸收功率水平如何,輸出光束始終顯示24個(gè)波瓣,即同時(shí)存在手性相反的兩個(gè)LG0,12模式。

圖7 被動(dòng)調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)在吸收功率分別為(a)1.7 W和(b)2.8 W時(shí)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

該中空花瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)光的脈沖寬度和重復(fù)頻率隨吸收功率的變化如圖8所示,隨著吸收功率增加,脈沖重復(fù)頻率幾乎線性增加:閾值處的重頻為88.8 kHz,最大穩(wěn)定輸出時(shí)的重頻為229.1 kHz;而脈沖寬度單調(diào)減小,閾值時(shí)脈寬約為922 ns,最大穩(wěn)定輸出時(shí)的脈寬約為232 ns。圖9(a)、(b)分別給出了吸收功率約為1.9 W和2.5 W時(shí)的脈沖序列和單脈沖寬度,對應(yīng)的數(shù)據(jù)分別為(115.7 kHz,736 ns)和(209.2 kHz,363 ns)。需要指出的是,在2.8 W吸收功率時(shí)獲得的該24瓣空心結(jié)構(gòu)光的平均輸出功率約為30 mW;進(jìn)一步增加泵浦功率,輸出脈沖激光的重復(fù)序列穩(wěn)定性變差,這種現(xiàn)象常見的解釋是殘余泵浦光對可飽和吸收體的影響造成的,本實(shí)驗(yàn)中可飽和吸收體未有任何制冷保護(hù)。

圖8 (a)脈沖重復(fù)頻率和(b)脈沖寬度隨吸收功率的變化Fig.8 Variation of(a)pulse repetition rate and(b)pulse width with absorbed power

圖9 吸收功率分別為(a)1.9 W和(b)2.5 W的被動(dòng)調(diào)Q空心光束的單脈沖波形和脈沖序列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 結(jié)論

用點(diǎn)缺陷鏡做出耦合輸出鏡,報(bào)道了連續(xù)波和被動(dòng)調(diào)Q空心結(jié)構(gòu)光的實(shí)驗(yàn)研究。連續(xù)波情況下,吸收功率為3.3 W時(shí),用80μm點(diǎn)缺陷獲得了LG01模式,其最大輸出功率達(dá)到890 mW;用180μm點(diǎn)缺陷獲得了LG0,16模式,其最大輸出功率達(dá)到280 mW。在被動(dòng)調(diào)Q模式下,獲得了24瓣的空心結(jié)構(gòu)光輸出,即LG0,+12和LG0,?12兩種渦旋光同時(shí)輸出;在吸收功率為2.8 W時(shí),觀察到最短脈沖寬度約為232 ns,最大脈沖重復(fù)頻率約為229.1 kHz。接下來,將通過進(jìn)一步優(yōu)化該激光中泵浦光尺寸和諧振腔設(shè)計(jì),同時(shí)優(yōu)化點(diǎn)缺陷的制備質(zhì)量和尺寸,力求獲得更高階、更高性能的連續(xù)波渦旋激光輸出;針對脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)模式,除了與連續(xù)波相同的性能追求外,還需進(jìn)一步選擇和控制渦旋光的手性,使其輸出具有穩(wěn)定手性的渦旋光。