一種輸出空心激光光束的裝置制造方法

一種輸出空心激光光束的裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種輸出空心激光光束的裝置，包括：整形系統，其設置在輸入的實心光束后，用于將該實心光束整形為空心光束；泵浦光耦合系統，其沿光路設置在所述整形系統后，用于將所述空心光束變換成合適直徑大小的空心光束；激光諧振腔，其沿光路設置在所述耦合系統后，合適直徑大小的空心光束從該激光諧振腔的一端面耦合進入諧振腔，對激光器增益介質進行泵浦，通過相位控制使得所述諧振腔中的增益介質吸收泵浦光產生連續的空心激光輸出。本實用新型的裝置通過將入射的泵浦光從通常的實心形式改變成為空心形式，使激光振蕩的軸心部分沒有增益，再通過相位控制，得到空心激光光束輸出，具有實現簡單、可靠性高、轉換效率高和輸出功率高的優點。
【專利說明】一種輸出空心激光光束的裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于激光領域，具體涉及一種輸出空心激光光束的裝置。
【背景技術】
[0002]長期以來，實心激光光束在傳統激光行業如切割、熔覆、焊接和打標等上有著廣泛的應用。但是近年來，由于應用技術的促進，各種中心強度為零的激光束——空心激光光束相繼產生，并正在形成一個新穎的所謂空心光束(也稱暗中空光束)的大家族。空心光束作為激光導管、光學鑷子(光鉗)和光學扳手，在微觀粒子(如微米粒子、納米粒子、自由電子、生物細胞和原子或分子等)的精確、無接觸操縱和控制中有著廣泛的應用。
[0003]由于空心光束的產生，反過來也促進了很多傳統激光應用領域反思光束形式的進一步優化。例如最近甚至發現對于激光沖擊成形這樣的傳統激光加工領域，空心光束也具有一定的優勢。這種空心光束除了具有激光頻率、激光功率和光束發散角等激光束的一般參數外，還具有暗斑尺寸、光束寬度、光束半徑和寬度半徑比等一些特殊的參數。各類空心光束都有其獨特的物理性質，如強度呈圓筒形分布、很小的暗斑尺寸、無加熱效應、傳播不變性以及具有自旋與軌道角動量等，這些性質使得空心光束在激光光學、光信息處理、微粒波導、同位素分離、微電子學和材料科學、生物技術、醫學以及原子學、分子學等領域中有著廣泛的應用前景。
[0004]目前為止，現有技術中存在多種產生空心激光光束的方法，如幾何光學法、中空光纖法、η位相板法、光學全息法和計算機全息法等。其中，幾何光學法、中空光纖法和η位相板法獲得空心光束，優點是結構簡單、便于實現，但轉換效率低、輸出空心光束的純度不高和較低的光束質量的缺點也很明顯；而計算機全息法和光學全息法獲得空心光束，雖然輸出空心光束的純度高、光束質量好，但成本較高，制作難度很大。
[0005]中國專利文獻201210049178.6中公開了一種采用端面泵浦，將泵浦光焦點耦合到激光增益介質內部或者外部，來得到空心激光光束的方法。該方法得到的空心光束的光斑是由很多小的旁瓣組成的，這種非連續的環狀空心光束在實際應用過程中會有一定的限制，譬如在受激損耗顯微術中，由于旁瓣的存在，空心光束對激發光的熒光抑制作用就不是那么明顯，導致零星的雜質熒光的產生，降低了受激損耗顯微術的分辨率。
實用新型內容
[0006]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本實用新型提供一種輸出空心激光光束的裝置，其目的在于利用環形泵浦光，通過軸向端面泵浦，在增益介質中形成中空形式的增益區，直接獲得空心激光束的輸出，通過對環形泵浦光的環狀光斑大小精確的控制，實現對激光模式的控制，解決了空心光束中心并非完全無光的問題，同時通過相位控制，解決了空心光束空心環不連續的問題。
[0007]按照本實用新型的一個方面，提供一種輸出空心光束的裝置，用于實現將實心泵浦光變換為連續的空心泵浦光束，其特征在于，該裝置包括:[0008]整形系統，其設置在輸入的實心光束后，用于將該實心光束整形為空心光束；
[0009]泵浦光耦合系統，其沿光路設置在所述整形系統后，用于將所述空心光束變換成合適直徑大小的空心光束；
[0010]激光諧振腔，其沿光路設置在所述耦合系統后，所述合適直徑大小的空心光束從該激光諧振腔的一端面耦合進入諧振腔，對激光器增益介質進行泵浦，通過相位控制使得所述諧振腔中的增益介質吸收泵浦光產生連續的空心激光輸出。
[0011]作為本實用新型的改進，所述整形系統由外圓錐面反射鏡和與之同軸放置的具有相同頂角的環形中空內圓錐面反射鏡構成，即外圓錐面反射鏡的發射面與環形中空內圓錐面反射鏡的反射面平行，入射光光軸與外圓錐面反射鏡和環形中空內圓錐面反射鏡的旋轉對稱軸重合，光束從外圓錐面反射鏡處入射，反射光為以光軸為中心的發散環形光束，其經環形中空內圓錐面反射鏡反射后，以與最初進入整形系統的入射光束平行的方式出射，即為與光軸平行的空心光束。
[0012]作為本實用新型的改進，所述整形系統由內圓錐面反射鏡和與之相對放置的具有相同頂角的外圓錐面反射鏡構成，該內圓錐面反射鏡旋轉對稱軸與入射光束光軸成135°夾角，外圓錐面反射鏡的旋轉對稱軸與內圓錐面反射鏡旋轉對稱軸平行，內圓錐面反射鏡與外圓錐面反射鏡頂點連線與入射光束光軸垂直。
[0013]作為本實用新型的改進，所述整形系統由內圓錐面透鏡和與之同軸放置的具有相同頂角、相同折射率的外圓錐面透鏡構成，兩透鏡均是一側為平面，一側為圓錐面的鏡體結構，其中圓錐面的旋轉對稱軸與平面垂直，且與入射光束的光軸同軸。
[0014]作為本實用新型的改進，所述端面泵浦耦合通過球面透鏡組合或者柱面透鏡組合進行耦合、由自聚焦透鏡進行耦合或通過光纖耦合實現。
[0015]作為本實用新型的改進，所述激光諧振腔4包括沿光軸依次設置的鏡片、螺旋相位板、增益介質、焦距均為f的柱面鏡構成的柱面鏡系統要以及設在兩柱面鏡之間與兩柱面鏡的距離均為f的鏡片，光束從所述鏡片入射，在鏡片和鏡片之間來回振蕩，其中所述光束每通過一次螺旋相位板，相位因子就會增加使得只輸出單一相位模式的單一高階光束，從而形成連續的空心光束。
[0016]作為本實用新型的改進，所述增益介質為YAG棒。
[0017]另一方面，提供一種利用本實用新型的裝置輸出空心光束的方法，通過將實心泵浦光整形為空心泵浦光后，再利用耦合系統將泵浦光耦合進入激光諧振腔，以軸向端面泵浦的方式，在增益介質中形成中空形式的增益區，通過激光振蕩，實現空心激光光束的直接輸出，具體步驟如下:
[0018](I)激光器產生的實心光束，經整形系統整形為中空的環形泵浦光；
[0019](2)該中空的環形泵浦光，沿光軸入射到耦合系統，該耦合系統將所述環形泵浦光變換成合適直徑大小的空心光束；
[0020](3)該空心光束從激光諧振腔的一端面耦合進入諧振腔，對激光器增益介質進行泵浦，通過相位控制使得所述諧振腔中的增益介質吸收泵浦光產生連續的空心激光輸出。
[0021]其中，所述連續的空心激光通過連續改變入射光束的相位，使得諧振腔內只有一種相位模式能夠持續振蕩而實現。
[0022]所述入射光束相位的連續改變通過一設置在諧振腔中的螺旋相位板實現，該螺旋相位板為光學厚度與旋轉方位角成正比的相位衍射光學元件。
[0023]本實用新型中，入射的泵浦光可以是實心的，實心泵浦光先入射到一個整形系統，通過整形輸出的泵浦光變為空心的環形泵浦光。
[0024]本實用新型中，實心泵浦光可以為半導體激光器發出的實心激光束，耦合系統可以為半導體激光耦合系統。
[0025]總體而言，本實用新型的裝置相對于現有技術，其通過將入射的泵浦光從通常的實心形式改變成為空心形式，使激光振蕩的軸心部分沒有增益,再通過相位控制,得到空心激光光束輸出，具有實現簡單、可靠性高、轉換效率高和輸出功率高的優點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為按照本實用新型實施例的裝置結構示意圖；
[0027]圖2為圖1中整形系統的一個實施例的結構示意圖；
[0028]圖3為圖1中整形系統另一個實施例的結構示意圖；
[0029]圖4為圖1中整形系統再一個實施例的結構示意圖；
[0030]圖5為圖1中f禹合系統不意圖；
[0031]圖6為圖1中激光諧振腔示意圖；
[0032]圖7為圖6中螺旋相位板示意圖；
[0033]圖8為單一 LG簡并模式激光光束疊加過程示意圖；
[0034]圖9為LGp1模式光束的相位因子在諧振腔中往返傳輸的過程分析；
[0035]圖10為LGcw模式光束的相位因子在諧振腔中往返傳輸的過程分析；
[0036]在所有附圖中，同樣的附圖標記代表相同的技術特征，其中，1-泵浦光，2-整形系統，3-稱合系統，4-激光諧振腔,5-空心輸出光束。
【具體實施方式】
[0037]為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。此外，下面描述的本實用新型各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互結合。
[0038]半導體激光器發出的光束為實心光束，但其光束在快軸和慢軸方向上是象散光束，通過普通透鏡準直，即可以得到圓形實心的輸出光束，以作為本實用新型實施例圖1中的泵浦光I。
[0039]泵浦光I通過整形系統2，使得實心光束變為空心光束。本實用新型中的整形系統用于將實心光束整形為空心光束，其具體的裝置和方法有多種，下面是優選的三種整形系統具體結構。
[0040]如圖2所示，本實施例的整形系統2由外圓錐面反射鏡201和與之同軸放置的具有相同頂角的環形中空內圓錐面反射鏡202構成，即外圓錐面反射鏡201的發射面與環形中空內圓錐面反射鏡202的反射面平行，入射光光軸與外圓錐面反射鏡201和環形中空內圓錐面反射鏡202的旋轉對稱軸重合，光束從外圓錐面反射鏡201處入射，反射光為以光軸為中心的發散環形光束，由于環形中空內圓錐面反射鏡202的反射面與外圓錐面反射鏡201的反射面平行，因此光束再經過環形中空內圓錐面反射鏡202反射后，會以與最初進入整形系統的入射光束平行的方式出射，即為與光軸平行的空心光束。
[0041]如圖3所示，本實用新型另一實施例的整形系統2’由內圓錐面反射鏡203和與之相對放置的具有相同頂角的外圓錐面反射鏡204構成，內圓錐面反射鏡203旋轉對稱軸與入射光束光軸成135°夾角，外圓錐面反射鏡204的旋轉對稱軸與內圓錐面反射鏡203旋轉對稱軸平行，內圓錐面反射鏡203與外圓錐面反射鏡204頂點連線與入射光束光軸垂直，光束整形過程與I相同。
[0042]如圖4所示，本實用新型又一實施例的整形系統2’’由內圓錐面透鏡205和與之同軸放置的具有相同頂角、相同折射率的外圓錐面透鏡206構成，兩透鏡均是一側為平面，一側為圓錐面的鏡體結構，其中圓錐面的旋轉對稱軸與平面垂直，且與入射光束的光軸同軸。入射光束從內圓錐面透鏡205的平面一側入射，再從圓錐面側出射時，由于折射效應，光束會向遠離光軸方向偏折，然后光束從外圓錐面透鏡206的外圓錐面側入射，再次發生折射，而由于兩次折射的折射面平行，折射率也相同，出射光束會與入射到內圓錐面透鏡205的光束平行，即為光軸平行的空心光束。
[0043]經上述整形系統2整形獲得空心激光光束即空心泵浦光束，其然后以端面泵浦的方式耦合進入激光諧振腔對增益介質進行泵浦。
[0044]本實施例優選的端面泵浦耦合方式有以下幾種:1)組合透鏡系統聚光:用球面透鏡組合或者柱面透鏡組合進行耦合。2)自聚焦透鏡耦合:由自聚焦透鏡取代組合透鏡進行耦合，優點是結構簡單，準直光斑的大小取決于自聚焦透鏡的數值孔徑。3)光纖耦合:指用帶尾纖輸出的LD進行泵浦耦合，優點是結構靈活。圖5為由組合透鏡構成的耦合系統示意圖，光束半徑較大的空心光束經透鏡組后，輸出更易進行泵浦的細空心光束，提高泵浦效率。
[0045]入射的空心泵浦光激勵激光諧振腔中的增益介質，由于激光振蕩的軸心部分沒有增益，因此通常率先振蕩的LGtlitl模的增益低于高階模式被壓制，空心的高階模式則率先振蕩輸出，得到空心光束。通過整形系統和耦合系統對環形泵浦光的環狀光斑大小精確的控制，使諧振腔中形成特定的高階LGtl, ±1模式振蕩。圖6為本實用新型一個實施例的激光諧振腔示意圖，泵浦光經鏡片401入射，在鏡片401和鏡片405之間來回振蕩，增益介質403為YAG棒，其中鏡片401為泵浦光全透，1064nm全反，鏡片405對1064nm光具有一定的反射率(非全反)，激光光束由鏡片405輸出。
[0046]由于LGp1和LGcw具有相同的徑向分布，因此，常規激光諧振腔內這兩種相位模式將一起振蕩，并穩定存在，在這種情況下，兩個中空環形光束LGp1和LGcw疊加在一起后，形成的空心光束為旁瓣形式，如圖8所示。為了得到連續的空心光束，需要使諧振腔內只有一種相位模式能夠持續振蕩，本實用新型在諧振腔中加入了螺旋相位板402和柱面鏡系統。其中，螺旋相位板402 (如圖7所示)是一種光學的厚度與旋轉方位角成正比的純相位衍射光學元件，用來改變入射光束的相位。柱面鏡系統由焦距均為f的柱面鏡404、406構成，柱面鏡404和柱面鏡406相距為2f，并且兩柱面鏡相對鏡片405左右對稱，即鏡片405與兩柱面鏡的距離均為f。
[0047]LG0；+1模式具有exp(+il Θ )相位項，LGcw模式具有exp(-1l Θ )相位項，(圖9和圖10中的+1代表相位因子為exp(+il Θ )的LGQ，+1模式光束，-1代表相位因子為exp(-1l Θ )的LGcw模式光束)。光束每通過一次螺旋相位板402，相位因子就會增加I ;當相位因子為±1的光束通過柱面鏡系統時，相位因子會取反變為ml (光束通過柱面鏡404后由鏡片405反射再通過柱面鏡404的效果與依次通過柱面鏡404、鏡片405、柱面鏡406的效果相同)。
[0048]以增益介質403右側計為光束振蕩的起始位置，LGp1模式在腔內往返一周之后，相位因子仍為+1，滿足自再現的相位分布，該LGp1模式可以在諧振腔內穩定振蕩，如圖9所示。而LGcw模式在腔內往返一周之后，相位因子變為+31，不滿足自再現的相位分布，該LGcw模式在諧振腔內會受到抑制無法繼續振蕩。因此，在諧振腔內加入螺旋相位板402和柱面鏡系統后，激光器會只輸出單一相位模式的單一高階光束，這樣得到的空心光束就不再是普通的旁瓣光束，而是連續的空心光束了。
[0049]諧振腔中還可以增加調Q器件，形成脈沖Q關激光器，輸出環形的調Q脈沖光束；也可以增加調制，形成鎖模振蕩輸出環形鎖模脈沖；另外還可以增加倍頻或其他頻率轉換器件，輸出倍頻或其他頻率轉換的環形光束。
[0050]本實用新型所述的得到空心激光光束的方法，采用腔內器件將普通實心泵浦光束變換為空心泵浦光束。利用該方法得到的空心光束的能量更加集中在環上，通過對環形泵浦光的環狀光斑大小和激光諧振腔內振蕩光束相位的控制，實現空心模式光束輸出。該方法較之以前的方法具有輸出激光光束質量好，同時由于能量集中更加集中在環上，使得輸出空心光束的斜率效率更高，可以為較高功率空心光束輸出提供一種可行的方法。同時，使用該方法得到空心激光光束的裝置，具有成本低，裝配簡單和容易調節的特點。
[0051]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種輸出空心光束的裝置，用于實現將實心泵浦光變換為連續的空心泵浦光束，其特征在于，該裝置包括: 整形系統(2)，其設置在輸入的實心光束后，用于將該實心光束整形為空心光束； 泵浦光耦合系統(3)，其沿光路設置在所述整形系統(2)后，用于將所述空心光束變換成合適直徑大小的空心光束； 激光諧振腔(4)，其沿光路設置在所述耦合系統(3)后，所述合適直徑大小的空心光束從該激光諧振腔(4)的一端面耦合進入諧振腔，對激光器增益介質進行泵浦，通過相位控制使得所述諧振腔中的增益介質吸收泵浦光產生連續的空心激光輸出。
2.根據權利要求1所述的輸出空心光束的裝置，其特征在于，所述整形系統(2)由外圓錐面反射鏡(201)和與之同軸放置的具有相同頂角的環形中空內圓錐面反射鏡(202)構成，即外圓錐面反射鏡(201)的發射面與環形中空內圓錐面反射鏡(202)的反射面平行，入射光光軸與外圓錐面反射鏡(201)和環形中空內圓錐面反射鏡(202)的旋轉對稱軸重合，光束從外圓錐面反射鏡(201)處入射，反射光為以光軸為中心的發散環形光束，其經環形中空內圓錐面反射鏡(202)反射后，以與最初進入整形系統的入射光束平行的方式出射，即為與光軸平行的空心光束。
3.根據權利要求1所述的輸出空心光束的裝置，其特征在于，所述整形系統(2’)由內圓錐面反射鏡(203)和與之相對放置的具有相同頂角的外圓錐面反射鏡(204)構成，該內圓錐面反射鏡(203)旋轉對稱軸與入射光束光軸成135°夾角，外圓錐面反射鏡(204)的旋轉對稱軸與內圓錐面反射鏡(203)旋轉對稱軸平行，內圓錐面反射鏡(203)與外圓錐面反射鏡(204)頂點連線與入射光束光軸垂直。
4.根據權利要求1所述的輸出空心光束的裝置，其特征在于，所述整形系統2’’由內圓錐面透鏡(205)和與之同軸放置的具有相同頂角、相同折射率的外圓錐面透鏡(206)構成，兩透鏡均是一側為平面，一側為圓錐面的鏡體結構，其中圓錐面的旋轉對稱軸與平面垂直，且與入射光束的光軸同軸。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的輸出空心光束的裝置，其特征在于，所述端面泵浦耦合通過球面透鏡組合或者柱面透鏡組合進行耦合、由自聚焦透鏡進行耦合或通過光纖耦合實現。
6.根據權利要求1-4中任一項所述的輸出空心光束的裝置，其特征在于，所述激光諧振腔(4)包括沿光軸依次設置的鏡片(401)、螺旋相位板(402)、增益介質(403)、焦距均為f的兩柱面鏡(404、406)構成的柱面鏡系統以及設在兩柱面鏡(404、406)之間與兩柱面鏡的距離均為f的鏡片(405)，光束從所述鏡片(401)入射，在該鏡片(401)和鏡片(405)之間來回振蕩，其中所述光束每通過一次螺旋相位板(403)，相位因子就會增加使得只輸出單一相位模式的單一高階光束，從而形成連續的空心光束。
7.根據權利要求1-4中任一項所述的輸出空心光束的裝置，其特征在于，所述增益介質(403)為YAG棒。
【文檔編號】H01S3/139GK203536721SQ201320690664
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年11月4日 優先權日:2013年11月4日
【發明者】陳培鋒, 王英, 胡阿健, 夏兵兵, 李姝妺, 譚望, 張志鈺 申請人:華中科技大學