【摘要】：近年來(lái),為了充分地發(fā)掘和利用激光的潛能,擁有不同空間結(jié)構(gòu)的激光光場(chǎng)成為一個(gè)重要研究領(lǐng)域,其中,渦旋光束是研究的熱點(diǎn)之一。渦旋光束是指等相位面呈螺旋形分布的光束,這種光束攜帶沿光束傳播方向的軌道角動(dòng)量,因此,渦旋光束被廣泛地應(yīng)用于量子信息、光學(xué)通信、光學(xué)操縱、非線性光學(xué)、材料加工,自旋軌道耦合等領(lǐng)域。如何便捷高效地產(chǎn)生渦旋光束是所有有關(guān)渦旋光束研究的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。按照渦旋激光產(chǎn)生的位置是在激光器腔內(nèi)還是腔外,可以將渦旋激光的產(chǎn)生方式分為兩大類(lèi):被動(dòng)方法和主動(dòng)方法。被動(dòng)方法是在激光器諧振腔外,利用特殊設(shè)計(jì)的光學(xué)元件或者光場(chǎng)參數(shù)調(diào)制元件,將基模的高斯光束轉(zhuǎn)化為渦旋光束,轉(zhuǎn)化的過(guò)程一般伴隨能量的損耗和光束質(zhì)量的下降,而且一般情況下由于插入的光學(xué)元件的損傷閾值較低,渦旋激光無(wú)法實(shí)現(xiàn)大功率輸出。主動(dòng)方法是通過(guò)設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)的激光器諧振腔,直接輸出渦旋激光,該方法的特點(diǎn)是輸出渦旋激光能量高,器件結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,輸出激光的光束質(zhì)量好�？梢灾苯虞敵鰷u旋光束的固體激光器是目前研究的主要方向之一。在激光二極管端面泵浦的固體激光器中,產(chǎn)生渦旋光束的有效方式之一是利用空心光作為泵浦光源。目前,所有產(chǎn)生空心泵浦光束的方法都是先利用光學(xué)元件產(chǎn)生空心光束,再利用額外的凸透鏡聚焦光束,才能得到高功率密度的環(huán)形泵浦光斑,而且光學(xué)元件和凸透鏡相對(duì)位置需要精確地調(diào)整才能得到完美的環(huán)形光斑。這種空心聚焦光束的產(chǎn)生方式增加了激光器準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)調(diào)節(jié)的復(fù)雜程度,而且得到空心聚焦光束的靈活性較差。另外,目前在端面泵浦的固體激光器中控制渦旋光束的矢量偏振狀態(tài)和渦旋旋向的方式主要是在諧振腔內(nèi)插入選模元件。這些元件的插入使激光器結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜,而且降低了激光器的損傷閾值,另一方面,引入額外的光學(xué)元件使得激光器的腔長(zhǎng)變長(zhǎng),導(dǎo)致在被動(dòng)調(diào)Q激光器中無(wú)法輸出短脈沖寬度和高重復(fù)頻率的脈沖渦旋激光。為解決上述問(wèn)題,本文首次提出了環(huán)形聚焦透鏡(Hollow Focus Lens,HFL)的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)方法。該透鏡可以看作是一個(gè)凸透鏡的中部(以凸透鏡中軸線為對(duì)稱(chēng)軸的圓柱形區(qū)域)被一個(gè)負(fù)彎月透鏡替換所得,利用該透鏡可以直接將基模高斯光束方便地轉(zhuǎn)換為環(huán)形聚焦光束,用于泵浦固體激光器。利用環(huán)形聚焦透鏡產(chǎn)生的環(huán)形聚焦光束泵浦以Nd:YAG晶體為增益介質(zhì)的微片激光器,實(shí)現(xiàn)了連續(xù)矢量渦旋激光的輸出。激光器的入射泵浦光功率閾值是0.7 W。當(dāng)入射泵浦功率小于5.5 W時(shí),輸出的渦旋激光保持徑向偏振狀態(tài);當(dāng)入射泵浦功率大于5.5 W時(shí),輸出的渦旋激光保持角向偏振狀態(tài)。激光器輸出的矢量偏振激光的偏振度保持在91%左右。輸出激光的矢量偏振狀態(tài)隨入射泵浦功率的變化歸因于Nd:YAG晶體的熱致雙焦點(diǎn)效應(yīng)。激光器輸出渦旋激光的拓?fù)浜蓴?shù)為1,且旋向不隨光束偏振狀態(tài)的變化而變化。當(dāng)入射泵浦功率小于6.5 W時(shí),輸出激光的斜效率為16.8%,在入射泵浦功率為10 W時(shí)獲得了 1.16 W的最大輸出功率。在產(chǎn)生連續(xù)矢量渦旋激光的基礎(chǔ)上,利用Cr,Nd:YAG晶體作為激光工作物質(zhì),在環(huán)形聚焦透鏡產(chǎn)生的環(huán)形光泵浦的Cr,Nd:YAG自調(diào)Q微片激光器中獲得了脈沖渦旋激光輸出。本文提出了在微片激光器中通過(guò)調(diào)節(jié)耦合鏡的傾斜角度來(lái)控制渦旋光束的波前旋向的方法。利用環(huán)形聚焦透鏡產(chǎn)生的環(huán)形聚焦光束作為泵浦光源,通過(guò)傾斜輸出耦合鏡,在Cr,Nd:YAG晶體自調(diào)Q微片激光器中實(shí)現(xiàn)了旋向可控的脈沖渦旋光束的輸出。渦旋光束旋向控制的機(jī)制是傾斜的輸出耦合鏡對(duì)旋向相反的渦旋光束有不同的反射率。激光器輸出渦旋脈沖的入射泵浦光功率閾值是0.9 W,在吸收泵浦功率為1.8 W時(shí)可以同時(shí)獲得8.5 ns的脈沖寬度和113 kHz的重復(fù)頻率,在較高的泵浦功率下獲得輸出激光的斜效率為46.6%,獲得的最大平均輸出功率為1W。輸出渦旋激光的偏振狀態(tài)接近于圓偏振。本論文有關(guān)在微片激光器中直接產(chǎn)生連續(xù)矢量渦旋激光和脈沖渦旋激光的研究成果對(duì)于研制新型渦旋微片激光器輸出高能量和旋向可控的渦旋光束具有重要的理論和實(shí)踐指導(dǎo)意義。
【學(xué)位授予單位】：廈門(mén)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TN248
【圖文】：

１．２給出了擁有不同拓?fù)浜蓴?shù)的渦旋光束的螺旋相位波前。從圖中可以看出，渦逡逑旋光束的相位結(jié)構(gòu)會(huì)隨著拓?fù)浜蓴?shù)的不同而發(fā)生變化。對(duì)于拓?fù)浜蓴?shù)不為零的情逡逑況，光軸中心始終存在相位奇點(diǎn)，而且相位結(jié)構(gòu)始終是連續(xù)的螺旋狀。從圖１．２逡逑（ｂ）中可以看出，在渦旋光束的橫截面上繞光軸旋轉(zhuǎn)一周，當(dāng)拓?fù)浜蓴?shù)為１時(shí)，逡逑光束相位改變２ｊｉ；當(dāng)拓?fù)浜蓴?shù)為２時(shí)，光束相位改變４ｔｉ，如圖１．２邋（ｃ）中所示；逡逑當(dāng)拓?fù)浜蓴?shù)為３時(shí)，光束相位改變６；ｒ，如圖１．２邋（ｄ）中所示。由于渦旋光束具逡逑有螺旋形的相位分布，使得渦旋光束的電磁場(chǎng)具有沿光束傳播方向的分量，因此逡逑渦旋光束會(huì)攜帶沿光束傳播方向的軌道角動(dòng)量。逡逑＼１／／邋？逡逑ｉ邐＞－邐＊逡逑ｍｐ邐S茫鑠危澹В斟義希族義賢跡保畢咂窈馱財(cái)窆饈鈉褡刺疽饌跡玻薄ｅ義希插義

本文編號(hào)：2758532