渦旋光束布里淵放大方法及實現該方法的系統的制作方法
【專利摘要】渦旋光束布里淵放大方法及實現該方法的系統，涉及渦旋激光放大技術。它為了解決現有渦旋激光產生效率低、放大器轉換效率低、成本高且裝置復雜的問題。本發明通過在Stokes信號光路中引入渦旋光束產生模塊，形成渦旋光束，將所述渦旋光束及泵浦光引入布里淵放大器中，實現對渦旋光束的放大。渦旋光束放大后能量達到10mJ以上，轉換效率達40％以上。裝置結構簡單且成本低。本發明適用于微觀粒子的光學囚禁與操控、激光消融加工、自由空間光通信、非線性頻率變換和強場電離等領域。
【專利說明】渦旋光束布里淵放大方法及實現該方法的系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及渦旋激光放大技術。
【背景技術】
[0002]渦旋光束是具有螺旋型相位分布，在傳播方向上中心強度為零的環狀空心光束，其光場分布中含有相位因子exp(il Θ ),光束中每個光子攜帶/?的軌道角動量，I稱為拓撲電荷數。渦旋激光具有軌道角動量，桶狀強度分布和無加熱效應等新穎獨特的物理性質，在微觀粒子的光學囚禁與操控、激光消融加工、自由空間光通信、非線性頻率變換和強場電離等領域有重大應用前景。渦旋光束一般可以通過螺旋相位板(SPP)、空間光調制器(SLM)和少模光纖產生。然而，SPP和SOM等器件損傷閾值很低，光纖法產生效率較低。因此，迫切需要一種高效率、高能量和低成本的渦旋光束放大技術。
[0003]2009 年《Optics Express))第 1了卷第 I6 期[頁碼:14362_14366]發表的《Highpower picosecond vortex laser based on a large-mode-area fiber amplifier))提出在光纖里放大渦旋激光的方法，實驗中采用保偏摻Yb3+雙包層光纖作為放大器，光纖一端輸入脈沖寬度為4.5ps的1064.4nm激光作為種子光，利用力載法激發出不同拓撲電荷數的渦旋光束模式，另一端輸入975nm的LD激光作為泵浦光，經放大后渦旋激光的輸出功率達8.5W,轉換效率為29%，放大的渦旋脈沖寬度約為4.5ps。隨后，他們發現皮秒渦旋脈沖通常能量很低，不能滿足一些新的應用需求，如金屬微針的加工等，所以2011年該課題組[Opt.Express, 2011，19 (15): 14420-14425]采用脈沖寬度為14ns的Nd: YVO4激光，基于前述方法產生了能量為0.83mJ、 脈沖寬度為14ns的渦旋光束，轉換效率為31 %，這也是目前光纖法所獲得的指標最聞的結果。
[0004]該實驗裝置中需要兩臺激光器，成本比較高；且需要通過力載法將入射到光纖內的信號光變換為渦旋光，這種力載法對光纖施加的扭力和壓力控制較難量化，且需要特殊的施力裝置；轉換效率受光纖SBS閾值的限制，很難再進一步提高。
[0005]2013年德國光科學普朗克研究所的Trabold等人[Opt.Lett.,2013, 38(5):600-602]提出在充氫的空心光子晶體光纖(PCF)中，利用受激拉曼散射(SRS)對光纖中的高階模式進行放大，脈沖寬度為1.8ns的1064nm激光首先通過充氫的光子帶隙PCF產生Stokes信號光，該信號光入射到SLM上產生包括渦旋激光在內的高階模式(HOM)，然后HOM光和基模泵浦光一起進入充氫的Kagome PCF放大器中，發生SRS放大，空心LP11模式的渦旋激光放大率為280，輸出能量小于10 μ J0
[0006]該方案的缺點是光子晶體光纖價格昂貴，氣體的拉曼增益系數比較低，放大率不高，輸出能量較低。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是為了解決現有渦旋激光產生效率低、放大器轉換效率低、成本高且裝置復雜的問題，提供一種基于受激布里淵散射原理的渦旋光束布里淵放大方法及實現該方法的系統。
[0008]本發明所述的渦旋光束布里淵放大方法為:在Stokes信號光路中引入渦旋光束產生模塊，形成渦旋光束，將所述渦旋光束引入布里淵放大器中進行放大。
[0009]實現上述方法的系統包括激光器、1/2波片、一號偏振分光片、Stokes信號光產生模塊、一號全反鏡、潤旋光束產生模塊、放大器模塊、二號全反鏡和三號全反鏡；
[0010]所述激光器產生的激光經過1/2波片透射后，入射至一號偏振分光片，并被該一號偏振分光片分為兩束:反射光S偏振光和透射光P偏振光，S偏振光入射至Stokes信號光產生模塊，該Stokes信號光產生模塊產生的Stokes信號光經一號偏振分光片透射后入射至一號全反鏡的表面，被一號全反鏡反射后入射至渦旋光束產生模塊，該渦旋光束產生模塊輸出的光作為信號光入射至放大器模塊的信號光入射端；從一號偏振分光片透射出的P偏振光依次被二號全反鏡和三號全反鏡反射，然后作為泵浦光入射至放大器模塊的泵浦光入射端。
[0011]本發明所述的渦旋光束布里淵放大方法利用受激布里淵散射原理實現放大，信號光和泵浦光以共線或非共線的形式入射到放大器介質中，當兩束光的頻率差為放大器介質的布里淵頻移時(信號光為下頻移StOkes光)，在放大器介質內部將發生布里淵放大，即泵浦光的能量將轉移到信號光上，實現對信號光的放大，且放大的信號光與輸入信號光的強度與相位分布形式相同。當信號光為螺旋式相位分布的渦旋光束，泵浦光為平面相位分布的高斯光束，且泵浦光斑直徑大于或等于信號光斑直徑時，可實現渦旋光束的布里淵放大。采用上述方法，渦旋光束放大后能量能夠達到IOmJ以上，轉換效率達40%以上。
[0012]本發明所述的實現渦旋光束布里淵放大方法的系統中，放大器模塊利用受激布里淵散射原理對信號光進行高效率、高能量放大，渦旋光束放大后能量能夠達到IOmJ以上，轉換效率達40%以上。信號光與泵浦光均由激光器產生，整個裝置僅需要一臺激光器，結構簡單且成本低，操作簡單，能夠滿足實際應用需求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1為實施方式二所述的渦旋光束布里淵放大系統的結構示意圖；
[0014]圖2為實施方式五中的放大器模塊的結構示意圖；
[0015]圖3為實施方式七中的放大器模塊的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0016]【具體實施方式】一:本實施方式所述的潤旋光束布里淵放大方法為:在Stokes信號光路中引入渦旋光束產生模塊，形成渦旋光束，將所述渦旋光束引入布里淵放大器中進行放大。
[0017]本實施方式所述的方法利用受激布里淵散射原理實現放大，信號光和泵浦光以共線或非共線的形式入射到放大器介質中，當兩束光的頻率差為放大器介質的布里淵頻移時(信號光為下頻移Stokes光)，在放大器介質內部將發生布里淵放大，即泵浦光的能量將轉移到信號光上，實現對信號光的放大，且放大的信號光與輸入信號光的強度與相位分布形式相同。當信號光為螺旋式相位分布的渦旋光束，泵浦光為平面相位分布的高斯光束，且泵浦光斑直徑大于或等于信號光斑直徑時，可實現渦旋光束的布里淵放大。采用上述方法，渦旋光束放大后能量能夠達到IOmJ以上，轉換效率達40%以上。
[0018]【具體實施方式】二:結合圖1說明本實施方式，本實施方式是實現實施方式一所述的潤旋光束布里淵放大方法的系統，該系統包括激光器1、1/2波片2、一號偏振分光片3、Stokes信號光產生模塊4、一號全反鏡5、潤旋光束產生模塊6、放大器模塊7、二號全反鏡8和三號全反鏡9 ；
[0019]所述激光器I產生的激光經過1/2波片2透射后，入射至一號偏振分光片3，并被該一號偏振分光片3分為兩束:反射光S偏振光和透射光P偏振光,S偏振光入射至Stokes信號光產生模塊4,該Stokes信號光產生模塊4產生的Stokes信號光經一號偏振分光片3透射后入射至一號全反鏡5的表面，被一號全反鏡5反射后入射至渦旋光束產生模塊6，該渦旋光束產生模塊6輸出的光作為信號光入射至放大器模塊7的信號光入射端；從一號偏振分光片3透射出的P偏振光依次被二號全反鏡8和三號全反鏡9反射,然后作為泵浦光入射至放大器模塊7的泵浦光入射端。
[0020]激光器I發出的線偏振態激光入射至1/2波片2，經1/2波片2后輸出具有P偏振態分量和S偏振態分量的激光,并入射至一號偏振分光片3,該一號偏振分光片3反射S偏振態分量的激光，并透射P偏振態分量的激光。被一號偏振分光片3反射輸出的S偏振態分量的激光進入Stokes信號光產生模塊4，形成具有Stokes頻移的P偏振態信號光，該信號光透過一號偏振分光片3后,被一號全反鏡5反射進入潤旋光束產生模塊6,潤旋光束產生模塊6產生P偏振態的渦旋光束，該渦旋光束作為信號光進入放大器模塊7中；由一號偏振分光片3透射出的P偏振分量的激光經二號全反鏡8和三號全反鏡9反射后，作為泵浦光入射至放大器模塊7中,泵浦光和信號光在放大器模塊7中發生相互作用后,泵浦光的能量向信號光轉移，放大后的潤旋光束由放大器模塊7中的輸出端輸出。
[0021]本實施方式所述的渦旋光束布里淵放大系統基于受激布里淵散射原理，能夠對渦旋光束實現高效率、高能量放大，裝置簡單、操作方便、成本較低，能夠滿足實際應用需求。
[0022]利用本實施方式所述的放大系統，渦旋光束放大后能量能夠達到IOmJ以上，轉換效率達40%以上。
[0023]【具體實施方式】三:結合圖1說明本實施方式，本實施方式是對實施方式二所述的實現渦旋光束布里淵放大方法的系統的進一步限定，本實施方式中，所述的Stokes信號光產生模塊4包括一號1/4波片4-1、聚焦透鏡4-2和產生器介質4-3,經一號偏振分光片3反射的S偏振光依次經過一號1/4波片4-1透射和聚焦透鏡4-2聚焦后，入射至產生器介質4-3，產生器介質4-3輸出的信號光經過聚焦透鏡4-2后入射至一號1/4波片4_1，經一號1/4波片4-1透射后入射至一號偏振分光片3。
[0024]由一號偏振分光片3反射的S偏振分量的激光經過一號1/4波片4-1透射后輸出左旋圓偏振光，所述左旋圓偏振光經過聚焦透鏡4-2進入產生器介質4-3中，產生器介質4-3輸出的受激布里淵Stokes散射光為右旋圓偏振光，所述右旋圓偏振光沿原路返回，經聚焦透鏡4-2透射后，再入射至一號1/4波片4-1，該一號1/4波片4-1將入射的右旋圓偏振光全部轉換成P偏振態的光束，經一號偏振分光片3透射,形成Stokes信號光。
[0025]【具體實施方式】四:本實施方式是對實施方式二所述的實現渦旋光束布里淵放大方法的系統的進一步限定，本實施方式中，所述的渦旋光束產生模塊6為螺旋相位板、空間光調制器或渦旋光纖。[0026]螺旋相位板、空間光調制器或渦旋光纖均為光束變換裝置，由Stokes信號光產生模塊4輸出的Stokes信號光入射至上述光束變換裝置，形成渦旋光束信號光。這里的渦旋光纖可以利用斜入射法產生渦旋光束，并不需要力載法實現。
[0027]【具體實施方式】五:結合圖2說明本實施方式，本實施方式是對實施方式二所述的實現渦旋光束布里淵放大方法的系統的進一步限定，本實施方式中，所述的放大器模塊7包括放大介質7-1。
[0028]本實施方式中，放大器模塊7為非共線結構，即信號光與泵浦光的夾角為α，且O< α <90° ,由于信號光與泵浦光方向不重合,放大后的潤旋光束直接沿信號光方向輸出。因而非共線結構的優勢有兩點:一是節省光學元件；二是避開泵浦光的后向散射光，提高放大渦旋光束的信噪比。
[0029]【具體實施方式】六:結合圖2說明本實施方式，本實施方式是對實施方式五所述的實現渦旋光束布里淵放大方法的系統的進一步限定，本實施方式中，所述的放大器模塊7的信號光與泵浦光的夾角α為0.6?30°。
[0030]【具體實施方式】七:結合圖3說明本實施方式，本實施方式是對實施方式五所述的實現渦旋光束布里淵放大方法的系統的進一步限定，本實施方式中，所述的放大器模塊7還包括二號偏振分光片7-2, 二號1/4波片7-3和三號1/4波片7-4,經三號全反鏡9反射出的光經二號偏振分光片7-2透射后入射至二號1/4波片7-3，并經二號1/4波片7_3透射后入射至放大介質7-1，放大器模塊7的信號光與泵浦光的夾角α為O。，渦旋光束產生模塊6輸出的渦旋光束入射至三號1/4波片7-4，并經三號1/4波片7-4透射后入射至放大介質7-1，放大的渦旋光束經二號1/4波片7-3透射后，入射至二號偏振分光片7-2，并被該二號偏振分光片7-2反射后作為所述的潤旋光束布里淵放大系統的輸出光輸出。
[0031]本實施方式中，放大器模塊7為共線結構,泵浦光和信號光對向傳輸,且夾角為零。三號全反鏡9反射出的泵浦光經經二號偏振分光片7-2透射出P偏振分量的泵浦光，P偏振分量的泵浦光經二號1/4波片7-3透射后，輸出左旋圓偏振光，所述左旋圓偏振光進入放大介質7-1中；潤旋光束產生模塊6形成的潤旋光束信號光經三號1/4波片7-4透射后輸出右旋圓偏振光(從泵浦光輸入端看)，所述右旋圓偏振光進入放大介質7-1中，泵浦光束和潤旋光束信號光對向傳輸，并在放大介質7-1中發生布里淵放大作用。共線結構中由于引入了二號偏振分光片7-2，提取放大的渦旋光束比較方便。
[0032]【具體實施方式】八:本實施方式是對實施方式五或七所述的實現渦旋光束布里淵放大方法的系統的進一步限定，本實施方式中，所述的放大介質7-1為液體介質或光纖。
[0033]本實施方式中，所述的放大介質7-1為液體介質或光纖等固體介質。由于信號光已經是渦旋光的形式，因此放大介質7-1的作用只是對信號光進行放大。液體放大介質的轉換效率不受SBS閾值的限制，與傳統的光纖放大介質相比，轉換效率得到提高。且無論采用液體介質還是光纖，都不需要特殊的施力裝置及復雜的扭力和壓力控制方法，裝置結構簡單。
[0034]【具體實施方式】九:本實施方式是對實施方式三所述的實現渦旋光束布里淵放大方法的系統的進一步限定，本實施方式中，所述的產生器介質4-3的長度為IOcm?60cm。
[0035]【具體實施方式】十:本實施方式是對實施方式九所述的實現渦旋光束布里淵放大方法的系統的進一步限定，本實施方式中，所述的聚焦透鏡4-2的焦距為5cm?30cm。
【權利要求】
1.渦旋光束布里淵放大方法，其特征在于:該方法為:在StOkes信號光路中引入渦旋光束產生模塊，形成渦旋光束，將所述渦旋光束引入布里淵放大器中進行放大。
2.實現權利要求1所述的渦旋光束布里淵放大方法的系統，其特征在于:它包括激光器(1)、1/2波片(2)、一號偏振分光片(3)、Stokes信號光產生模塊(4)、一號全反鏡(5)、潤旋光束產生模塊(6)、放大器模塊(7)、二號全反鏡(8)和三號全反鏡(9)； 所述激光器(I)產生的激光經過1/2波片(2)透射后，入射至一號偏振分光片(3)，并被該一號偏振分光片(3)分為兩束:反射光S偏振光和透射光P偏振光，S偏振光入射至Stokes信號光產生模塊(4),該Stokes信號光產生模塊(4)產生的Stokes信號光經一號偏振分光片(3)透射后入射至一號全反鏡(5)的表面，被一號全反鏡(5)反射后入射至渦旋光束產生模塊(6)，該渦旋光束產生模塊(6)輸出的光作為信號光入射至放大器模塊(7)的信號光入射端；從一號偏振分光片(3)透射出的P偏振光依次被二號全反鏡(8)和三號全反鏡(9)反射，然后作為泵浦光入射至放大器模塊(7)的泵浦光入射端。
3.根據權利要求2所述的實現渦旋光束布里淵放大方法的系統，其特征在于:所述的Stokes信號光產生模塊(4)包括一號1/4波片(4_1)、聚焦透鏡(4_2)和產生器介質(4_3),經一號偏振分光片(3)反射的S偏振光依次經過一號1/4波片(4-1)透射和聚焦透鏡(4-2)聚焦后，入射至產生器介質(4-3)，產生器介質(4-3)輸出的信號光經過聚焦透鏡(4-2)后入射至一號1/4波片(4-1),經一號1/4波片(4-1)透射后入射至一號偏振分光片(3)。
4.根據權利要求2所述的實現渦旋光束布里淵放大方法的系統，其特征在于:所述的渦旋光束產生模塊(6)為螺旋相位板、空間光調制器或渦旋光纖。
5.根據權利要求2所述的實現渦旋光束布里淵放大方法的系統，其特征在于:所述的放大器模塊(X)包括放大介質(7-1)。
6.根據權利要求5所述的實現渦旋光束布里淵放大方法的系統，其特征在于:所述的放大器模塊(X)的信號光與泵浦光的夾角α為0.6°~30°。
7.根據權利要求5所述的實現渦旋光束布里淵放大方法的系統，其特征在于:所述的放大器模塊(X)還包括二號偏振分光片(7-2) ,二號1/4波片(7-3)和三號1/4波片(7_4),經三號全反鏡(9)反射出的光經二號偏振分光片(7-2)透射后入射至二號1/4波片(7-3)，并經二號1/4波片(7-3)透射后入射至放大介質(7-1)，放大器模塊(7)的信號光與泵浦光的夾角α為O。，渦旋光束產生模塊(6)輸出的渦旋光束入射至三號1/4波片(7-4)，并經三號1/4波片(7-4)透射后入射至放大介質(7-1)，放大的渦旋光束經二號1/4波片(7-3)透射后，入射至二號偏振分光片(7-2)，并被該二號偏振分光片(7-2)反射后作為所述的渦旋光束布里淵放大系統的輸出光輸出。
8.根據權利要求5或7所述的實現渦旋光束布里淵放大方法的系統，其特征在于:所述的放大介質(7-1)為液體介質或光纖。
9.根據權利要求3所述的實現渦旋光束布里淵放大方法的系統，其特征在于:所述的產生器介質(4-3)的長度為IOcm~60cm。
10.根據權利要求9所述的實現渦旋光束布里淵放大方法的系統，其特征在于:所述的聚焦透鏡(4-2)的焦距為5cm~30cm。
【文檔編號】H01S3/30GK104020626SQ201410267645
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月16日 優先權日:2014年6月16日
【發明者】高瑋, 穆春元, 孫培敬, 袁治君, 浦紹質 申請人:哈爾濱理工大學