[发明专利]具有携带受控轨道角动量的光束的激光装置

说明书

一种用于产生螺旋形光波的激光装置(250)，包括：(i)增益区(203)，其位于由第一反射镜(202)限定的一个第一端和由出口区域限定的第二端之间，(ii)第二反射镜(206)，其布置为与第一反射镜(202)一起形成包括所述增益区(203)以及在出口区和第二反射镜(206)之间的间隙(207)的光学腔，以及(iii)用于对增益区(203)进行泵浦以产生光波的部件，其中所述激光装置(250)还包括用于使光波的光强度和/或相位分布成形且布置为用于选择光波的至少一个旋转对称横模的至少一个部件，所述旋转对称横模是从具有等于零的径向指数且具有模数为大于或等于1的整数的方位角指数的那些中选出的。

技术领域

本发明涉及垂直外腔表面发射激光装置(VeCSEL)，更具体地涉及使用这样的装置产生相干单频涡旋模式或双频涡旋模式。

本发明的技术领域是，但不限于，光子应用，更确切地说，是微观粒子的光学处理、原子操作、亚衍射显微以及量子信息处理和通信。

背景技术

螺旋相位的光束，也称涡旋光束，其表现出沿着光束传播方向以类似螺旋的方式变化的螺旋状波前，并具有遵循围绕光束轴线的螺旋轨迹的坡印亭(Poynting)矢量。通过场表达式中的方位角相位项e^iMθ来描述了这种行为，其中因子M称为拓扑电荷，其根据波前的旋转方向能够是正和负整数值。这个因子也表示相位结构包含M个交织的螺旋。这样的光束中的横向强度分布看起来像在中心具有暗核心的光环，故被称为甜甜圈形模式，并且最常见地是假定属于拉格尔-高斯(Laguerre-Gaussian)或贝塞尔-高斯(Bessel-Gaussian)本征模式基础。

已经开发了若干公知的方法来产生具有螺旋波前的光束，总结为两个不同的组：

-第一组方法包括通过使用外部模式转换光学器件来操纵光，例如使用一对柱面透反射镜将埃尔米特-高斯(Hermite-Gaussian)模式转变为具有螺旋相位结构的所需的拉格尔-高斯(Laguerre-Gaussian)(LG)模式，或者使用空间光调制器或螺旋相位板将具有平行波前的常规激光束转换为携带轨道角动量(OAM)的外来激光束，如US 6，995，351B2中所公开的。然而，不便之处在于这样的光学器件中的像素化和非线性缺陷是固有的，这导致光束的空间相干性和转换效率的劣化。此外，这样的装置中液晶的损伤阈值限制功率，并且光束转换方法通常很繁琐且需要严格的光学对准，这使得光束质量依赖于实验条件。

-第二组方法是直接产生涡旋激光束，即借助模态净增益竞争(借助空间烧孔(SHB)，非线性模式竞争过程)，通过选择模式集LG_0M中的一个模式来在光学腔内产生螺旋光前。例如，其通过腔内锁定的两个正交模式或通过使用环形泵浦光束来完成。然而，不便之处在于两种方法都需要腔内元件(吸收器、光圈、Brewster窗、校准器等)，这导致复杂的对准过程并且影响光束的空间相干性。此外，波前旋转方向的选择也是不明确的或者不被理解的。

本发明的目的是解决前面提到的问题并且进一步引出一些其他的优点。

本发明的一个目的是提供高相干旋转对称横模的直接激光产生。

本发明的另一目的是提供携带具有受控电荷和符号的轨道角动量的激光源。

本发明的另一目的是提供单涡旋模式的稳定、鲁棒和受控的激光效应。

本发明的另一目的是提供实现高功率操作的激光源。

本发明的另一目的是提供具有集成装置的激光源。

本发明的另一目的是降低制造这样的装置的成本。

发明内容