阅读说明：本技术 一种拓扑电荷可调节的涡旋光束产生装置 (Vortex light beam generating device with adjustable topology charges ) 是由 张子龙 高原 赵长明 张海洋 李亚弼 于 2020-05-26 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种拓扑电荷可调节的涡旋光束产生装置,能够产生涡旋光束并同时对其拓扑电荷进行调节。本发明采用环形光端面泵浦晶体得到初始的涡旋光束,光束模式纯度高,装置结构紧凑、稳定性好；利用带有旋转对称分布螺旋针孔阵列的衍射屏来改变涡旋光束的拓扑荷数,衍射屏易于取出调换,通过调换不同螺旋结构的衍射屏能够自由且轻便的改变涡旋光束拓扑荷数,装置成本理想,便于操作。(The invention provides a vortex light beam generating device with adjustable topological charges, which can generate vortex light beams and adjust the topological charges of the vortex light beams. The invention adopts the annular optical end face pump crystal to obtain the initial vortex light beam, the purity of the light beam mode is high, the structure of the device is compact, and the stability is good; the diffraction screen with the spiral pinhole array in rotational symmetric distribution is utilized to change the topological charge number of the vortex light beam, the diffraction screen is easy to take out and exchange, the topological charge number of the vortex light beam can be freely and conveniently changed by exchanging the diffraction screens with different spiral structures, the device is ideal in cost, and the operation is convenient.)

一种拓扑电荷可调节的涡旋光束产生装置

技术领域

本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种拓扑电荷可调节的涡旋光束产生装置。

背景技术

涡旋光束是一种特殊的新型光束，具有螺旋形相位分布的特点，光束中的每个光子携带的轨道角动量，其中l称为拓扑荷数，为约化普朗克常数。该光束沿光束传播方向上光束中心强度或轴向强度保持为零。涡旋光束性质独特，在光学微操纵和空间光通信等领域有着重要的研究意义和应用前景。改变涡旋光束的拓扑荷数即改变涡旋光束的阶数，能够改变光子携带的轨道角动量。改变涡旋光束的轨道角动量能在不改变光强的前提下实现对粒子束缚力的控制，增强光镊的灵活性；调节轨道角动量能改变手性超材料的结构分布，在超材料制备领域有相当的应用前景，因此调节涡旋光束的拓扑荷数对于涡旋光束的应用有着重要的意义。但是现有的涡旋光束产生装置不能同时进行涡旋光束拓扑荷数的调节。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种拓扑电荷可调节的涡旋光束产生装置，能够产生涡旋光束并同时对其拓扑电荷进行调节。

为实现上述目的，本发明一种拓扑电荷可调节的涡旋光束产生装置技术方案如下：

包括光泵浦模块、增益晶体和衍射屏；其中，光泵浦模块输出环形泵浦光到增益晶体，增益晶体与衍射屏由机械装置固定；

所述衍射屏具有旋转对称分布螺旋针孔阵列，衍射屏可拆卸更换，通过更换衍射屏，改变涡旋光束的拓扑荷数。

其中，根据目标的涡旋光束拓扑荷数，拆卸调换衍射屏，实现涡旋光束拓扑荷数改变。

其中，所述光泵浦模块包括半导体激光器和聚焦透镜；半导体激光器为光纤耦合输出，半导体激光器出光后经光纤耦合，被聚焦透镜会聚得到环形泵浦光。

其中，所述环形泵浦光泵浦到增益晶体端面。

其中，其特征在于，所述增益晶体两端镀有部分透过膜，组成法珀腔；

其中，前端面镀有对输出激光波长的高反膜和对泵浦光波长的高透膜，后端面镀有对输出激光波长的高反膜。

其中，拓扑荷数l与衍射屏上的螺旋针孔阵列的数量m和旋向关系为：

l＝M×m+l₀，M＝0,±1,±2,……

其中，l₀为LG_0,1模的涡旋光束的拓扑荷数，螺旋针孔阵列的旋向为顺时针时M为负数，旋向为逆时针时M为正数。

有益效果：

本发明采用环形光端面泵浦晶体得到初始的涡旋光束，光束模式纯度高，装置结构紧凑、稳定性好；利用带有旋转对称分布螺旋针孔阵列的衍射屏来改变涡旋光束的拓扑荷数，衍射屏易于取出调换，通过调换不同螺旋结构的衍射屏能够自由且轻便的改变涡旋光束拓扑荷数，装置成本理想，便于操作。

附图说明

图1(a)为本发明装置示意图；图1(b)为本发明装置的增益晶体与衍射屏示意图。

图2(a)为本发明实施例采用的螺旋针孔阵列的数量m为6，旋向为顺时针的衍射屏；图2(b)为本发明实施例采用的螺旋针孔阵列的数量m为6，旋向为拟时针的衍射屏；图2(c)为本发明实施例采用的螺旋针孔阵列的数量m为8，旋向为顺时针的衍射屏；图2(d)为本发明实施例采用的螺旋针孔阵列的数量m为8，旋向为逆时针的衍射屏。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明装置利用衍射和光子的轨道角动量(OAM)技术，基于微片激光器与螺旋针孔阵列衍射屏的有机组合，能够产生涡旋光束并同时改变其拓扑电荷。该装置包括光泵浦模块、增益晶体和衍射屏，其中，光泵浦模块输出泵浦光到增益晶体，增益晶体与衍射屏由机械装置固定，所述衍射屏具有旋转对称分布螺旋针孔阵列，衍射屏可自由拆卸更换。

具体地，光泵浦模块包括半导体激光器和聚焦透镜。半导体激光器为光纤耦合输出，半导体激光器出光后经光纤耦合，被聚焦透镜会聚得到环形泵浦光。

环形泵浦光泵浦增益晶体得到初始涡旋光束，初始涡旋光束拓扑荷数l₀较小。其中，环形泵浦光泵浦到增益晶体端面，增益晶体两端镀有部分透过膜，前端面镀有对输出激光波长的高反膜和对泵浦光波长的高透膜，后端面镀有对输出激光波长的高反膜，组成法珀腔。

初始涡旋光束输出衍射屏，由于所述衍射屏具有旋转对称分布螺旋针孔阵列，涡旋光束通过的衍射屏后光束的拓扑荷数发生改变。通过更换衍射屏，改变涡旋光束的拓扑荷数。实际使用时，根据目标的涡旋光束拓扑荷数，自由拆卸调换衍射屏，实现拓扑荷数改变。

如图1所示，本实施例提供的一种拓扑电荷可调节的涡旋光束产生装置，包括由光纤耦合输出的半导体激光器1、聚焦透镜2、增益晶体和带旋转对称的螺旋针孔阵列的衍射屏3。

其中，半导体激光器为光纤耦合的波长为808nm的激光器。

增益晶体前端面镀有对1064nm的高反膜和对808nm的高透膜，晶体后端面镀有对1064nm的高反膜，增益晶体和衍射屏被机械装置固定在一起。

基于以上装置的测量方法为：

首先由光纤耦合的半导体激光器产生的光束经过聚焦透镜，光束的强度呈环形分布，得到环形的泵浦光。泵浦光照射到增益晶体端面，在谐振腔内振荡得到LG_0,1模的涡旋光束，LG_0,1模的涡旋光束的拓扑荷数l₀较小。

之后，涡旋光束照射在带旋转对称的螺旋针孔阵列的衍射屏上，光束的拓扑荷数发生改变，改变的数值与螺旋针孔阵列的数量m和旋向有关。如图2(a)-2(d)，螺旋针孔阵列的数量m分别为6、6、8、8，旋向分别为顺时针、逆时针、顺时针和逆时针。

拓扑荷数l与螺旋针孔阵列的数量和旋向关系为：

l＝M×m+l₀，M＝0,±1,±2,……

其中，螺旋针孔阵列的旋向为顺时针时M为负数，旋向为逆时针时M为正数。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。