[发明专利]涡旋光束布里渊放大方法及实现该方法的系统

说明书

技术领域

本发明涉及涡旋激光放大技术。

背景技术

涡旋光束是具有螺旋型相位分布，在传播方向上中心强度为零的环状空心光束，其光场分布中含有相位因子exp(ilθ)，光束中每个光子携带的轨道角动量，l称为拓扑电荷数。涡旋激光具有轨道角动量，桶状强度分布和无加热效应等新颖独特的物理性质，在微观粒子的光学囚禁与操控、激光消融加工、自由空间光通信、非线性频率变换和强场电离等领域有重大应用前景。涡旋光束一般可以通过螺旋相位板(SPP)、空间光调制器(SLM)和少模光纤产生。然而，SPP和SOM等器件损伤阈值很低，光纤法产生效率较低。因此，迫切需要一种高效率、高能量和低成本的涡旋光束放大技术。

2009年《Optics Express》第17卷第16期[页码：14362-14366]发表的《High power picosecond vortex laser based on a large-mode-area fiber amplifier》提出在光纤里放大涡旋激光的方法，实验中采用保偏掺Yb³⁺双包层光纤作为放大器，光纤一端输入脉冲宽度为4.5ps的1064.4nm激光作为种子光，利用力载法激发出不同拓扑电荷数的涡旋光束模式，另一端输入975nm的LD激光作为泵浦光，经放大后涡旋激光的输出功率达8.5W，转换效率为29％，放大的涡旋脉冲宽度约为4.5ps。随后，他们发现皮秒涡旋脉冲通常能量很低，不能满足一些新的应用需求，如金属微针的加工等，所以2011年该课题组[Opt.Express,2011,19(15):14420-14425]采用脉冲宽度为14ns的Nd:YVO₄激光，基于前述方法产生了能量为0.83mJ、脉冲宽度为14ns的涡旋光束，转换效率为31％，这也是目前光纤法所获得的指标最高的结果。

该实验装置中需要两台激光器，成本比较高；且需要通过力载法将入射到光纤内的信号光变换为涡旋光，这种力载法对光纤施加的扭力和压力控制较难量化，且需要特殊的施力装置；转换效率受光纤SBS阈值的限制，很难再进一步提高。

2013年德国光科学普朗克研究所的Trabold等人[Opt.Lett.,2013,38(5):600-602]提出在充氢的空心光子晶体光纤(PCF)中，利用受激拉曼散射(SRS)对光纤中的高阶模式进行放大，脉冲宽度为1.8ns的1064nm激光首先通过充氢的光子带隙PCF产生Stokes信号光，该信号光入射到SLM上产生包括涡旋激光在内的高阶模式(HOM)，然后HOM光和基模泵浦光一起进入充氢的Kagome PCF放大器中，发生SRS放大，空心LP₁₁模式的涡旋激光放大率为280，输出能量小于10μJ。

该方案的缺点是光子晶体光纤价格昂贵，气体的拉曼增益系数比较低，放大率不高，输出能量较低。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有涡旋激光产生效率低、放大器转换效率低、成本高且装置复杂的问题，提供一种基于受激布里渊散射原理的涡旋光束布里渊放大方法及实现该方法的系统。

本发明所述的涡旋光束布里渊放大方法为：在Stokes信号光路中引入涡旋光束产生模块，形成涡旋光束，将所述涡旋光束引入布里渊放大器中进行放大。

实现上述方法的系统包括激光器、1/2波片、一号偏振分光片、Stokes信号光产生模块、一号全反镜、涡旋光束产生模块、放大器模块、二号全反镜和三号全反镜；

所述激光器产生的激光经过1/2波片透射后，入射至一号偏振分光片，并被该一号偏振分光片分为两束：反射光S偏振光和透射光P偏振光，S偏振光入射至Stokes信号光产生模块，该Stokes信号光产生模块产生的Stokes信号光经一号偏振分光片透射后入射至一号全反镜的表面，被一号全反镜反射后入射至涡旋光束产生模块，该涡旋光束产生模块输出的光作为信号光入射至放大器模块的信号光入射端；从一号偏振分光片透射出的P偏振光依次被二号全反镜和三号全反镜反射，然后作为泵浦光入射至放大器模块的泵浦光入射端。