[发明专利]一种三重自由度本征模式的空心激光器

说明书

本发明涉及一种三重自由度本征模式的空心激光器，依次包括中心位于同一光路的泵浦源、平凸透镜、光学耦合轴锥、凸透镜、轴锥增益介质、偏振轴锥和轴锥输出镜；平凸透镜、光学耦合轴锥和凸透镜构成空心变焦耦合光学系统；轴锥增益介质和轴锥输出镜构成激光器的谐振腔，其中，轴锥增益介质为输入镜，轴锥输出镜为输出耦合镜；偏振轴锥为柱矢量偏振态变换器件。本发明的激光器能够实现三重自由度本征模式。

技术领域

本发明涉及激光器领域，特别是涉及一种三重自由度本征模式的空心激光器。

背景技术

随着激光技术的发展，为了能够充分挖掘和利用激光的潜能，人们致力于光场调控的研究，而振幅、偏振和位相等是表征光场分布的三个独立参数。对于激光器谐振腔而言，每一个独立的参数可以定义为一重自由度本征模式，而一束激光同时具有三个本征模式就构成了三重自由度。激光器输出光束的分布通常为高斯强度、均匀偏振和平面位相，但在实际应用中也需要非高斯强度、非均匀偏振或非平面位相的光束，例如，宽度半径比符合一定条件下高强度梯度的空心光束可对中性原子具有高效冷却效率。再如，高偏振纯度的非均匀偏振光场比均匀偏振光场有更强的轴向场分量，在高数值孔径聚焦时会产生很强的梯度力，同时这个轴向场分量对沿光轴的坡印廷矢量没有贡献，它不产生轴向散射力和吸收力，由于梯度力和散射空间的分离，可以稳定的捕获金属微粒。利用上述双重自由度模式的光束不仅可以捕获金属微粒，同时又可对金属微粒实现高效冷却。

随着激光技术深入的研究与应用，人们又逐渐认识到了对激光位相调控的突出作用，例如，涡旋位相光束，其具有螺旋形结构的波前位相，每个光子都携带轨道角动量，且光束中心存在位相无法确定的位相奇点，使得光强呈环状分布。涡旋光束的这些独特性质在激光光学、原子光学、生物技术等众多领域有重要的应用价值。光的偏振分布对应自旋角动量，涡旋位相对应轨道角动量。因此，双重自由度模式光束就拥有了独特的自旋角动量和轨道角动量耦合特性，以及双重自由度模式所构成的不可分离叠加态对应了双比特量子纠缠态，在光与物质相互作用和经典量子耦合系统基础物理效应等领域的研究具有重要价值。类比量子态，利用高偏振纯度的非均匀偏振涡旋光束的不可分离叠加态，量子通道可用经典光来表征，从而可以实现稳定性高和大容量的光通信。人们已提出了多种方法来生成非均匀偏振涡旋双重自由度模式的光束。例如，利用干涉方法、超表面材料、双折射液晶材料及空间光调制器。但这些方法产生的双重模式光束并不是激光的本征态(不是通过谐振腔内光场振荡产生)，都是通过被动方式获得，很难产生高质量的双重模式光束。例如干涉法需要使用较多光学元件，造成光路复杂且易受到环境的干扰；超表面尺寸约100nm，传统加工工艺无法制造，因此基于超材料表面的方法产生矢量光束仍处于科学研究的探索阶段；受液晶材料损伤阈值的限制，利用液晶元件难以产生高功率矢量涡旋光场；基于空间光调制器理论上可以生成的径向或角向偏振分布的矢量涡旋光束，但由于像素间距和填充物尺寸较大，实际上很难产生高质量的矢量涡旋光束。到目前为止，利用谐振腔输出的激光也仅限于非均匀偏振或涡旋位相单重模式。

本发明实现了高光强梯度的非高斯强度分布、圆筒形柱矢量偏振态和涡旋位相三重自由度本征态模式的空心激光。三重自由度本征态模式激光既可模拟更丰富的多粒子纠缠态，开启更多经典量子耦合性质的研究，也可以衍生出新的光学现象、新的光学效应和新的光学技术，又可为众多研究和应用领域提供可靠的新型光源，推动激光物理与其它交叉学科的发展。该光束可以广泛的应用到光学捕获、光学信息处理、光学成像、电子加速和微观粒子光学操纵等领域。可想而知，多重本征模式光束必将开启和拓展新的激光应用领域。

发明内容

本发明的目的是提供一种三重自由度本征模式的空心激光器，激光器输出光束横截面光强梯度内侧大于外侧的非对称分布，即为不同强度高斯函数分布的叠加光束；激光束的偏振态为圆筒形柱矢量分布；激光束的位相为涡旋分布且其拓扑电荷数可连续调节。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种三重自由度本征模式的空心激光器，依次包括中心位于同一光路的泵浦源1、平凸透镜2、光学耦合轴锥3、凸透镜4、轴锥增益介质5、偏振轴锥6和轴锥输出镜7；