相位奇点可调控一维涡旋阵列被动调Q微片激光器研究

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携带有轨道角动量(OAM)的涡旋光束已被证明在显微成像、光镊技术和光学通信中具有不可替代的应用价值。拉盖尔-高斯光束(Laguerre-Gaussian),尤以LG0,l模式为典型,是一种最常见的涡旋光束,近年来已经得到了广泛的研究。然而,LG0,l模式属于单孔涡旋结构,使得其在实际应用中会受到较大的限制。因此多涡旋激光,特别是可调控的多涡旋阵列激光,相较于单涡旋激光可以为光通信和光镊技术等领域提供更大的灵活性,逐渐成为近几年的研究热点。目前,已经报道可以得到多涡旋激光器的方法主要包括被动法和主动法。其中,被动法是指在谐振腔外利用特殊的光学器件,如空间光调制器等,将输出的基模光束转化成涡旋光束的方法。采用被动法产生涡旋激光的装置通常能量转化效率较低且所产生的激光光束质量较差,另外光学元件的插入也使得激光器的便携性、灵活性以及损伤阈值等方面都受到极大影响。而主动法是通过设计特殊的激光器结构,在谐振腔中直接输出涡旋激光的方法,使用主动法的激光器在光光转化效率以及光束质量等方面都有着更加优异的表现。在此基础上,在被动调Q微片激光器中通过主动法获得的具有高峰值功率的涡旋阵列激光,由于兼具更高的脉冲能量,将会进一步扩大其应用范围。目前已报道了一种涡旋间距可调且朝向可控的双涡旋被动调Q微片激光器,但是该激光器获得的激光相位奇点最大仅为2,可应用的场景十分有限。为解决上述问题,本论文提出了一种环形光倾斜泵浦被动调Q微片激光器谐振腔的方案,实现了相位奇点可调控的一维多涡旋阵列激光的输出。实验中激光器采用环形泵浦光作为泵浦源,倾斜复合晶体Nd:YAG/Cr4+:YAG被动调Q微片激光器谐振腔,在高泵浦功率下获得具有两个相位奇点的双涡旋激光,在泵浦功率为5.66 W的情况下得到854 mW的最大平均输出功率和6.16 kW的最大峰值功率,光光转化效率高达15.1%。在此基础上,再通过精确调节准直透镜与传输光轴的相对位置进一步调节环形泵浦光的倾斜入射角,从而实现相位奇点可调控一维涡旋阵列激光的输出。在实验中获得了单涡旋激光、双涡旋激光、一维三涡旋阵列激光以及一维四涡旋阵列激光输出。在入射泵浦功率为5.66 W的情况下,输出的一维四涡旋阵列激光的平均输出功率可达到759 mW,相应的光光转化效率、脉冲宽度和峰值功率分别为13.4%、3.5 ns和5.56 kW。相较于已报道的可控双涡旋被动调Q微片激光器,在输出激光的激光性能基本不受影响的条件下将涡旋的相位奇点数量增加了一倍,极大地增加了具有高脉冲能量的涡旋激光阵列的应用潜力。具有高峰值功率、纳秒脉宽的相位奇点可调控一维涡旋阵列Nd:YAG/Cr4+:YAG被动调Q微片激光器为研究输出高能量、相位奇点可调控涡旋阵列激光器提供了理论和实验的指导意义。
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