阅读说明：本技术 一种直接产生涡旋光束以及拍频的微片激光器 (Microchip laser for directly generating vortex light beam and beat frequency ) 是由 张子龙 贵崑 赵长明 张海洋 李亚弼 于 2020-05-26 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种直接产生涡旋光束以及拍频的微片激光器,能够直接产生涡旋光束的同时输出拍频,结构更加简单、紧凑,输出稳定。本发明采用具有圆对称性端面冷却结构的晶体外壳为双偏振微型激光腔提供圆对称的温度梯度场分布,能够直接产生涡旋光束；再利用微片双折射晶体将激光分裂为垂直偏振的双频激光,并且两个频率具有不同的横模模式,其中一个为LG<Sub>01</Sub>模,另一个为基横模。本发明不需要特殊的泵浦源与光束控制元件,可以直接产生涡旋光束,而且涡旋光与正交偏振的基横模可以产生稳定的拍频；具有微片结构的增益晶体和双折射晶体,横截面积与厚度都可以控制在毫米量级,极大的缩小了直接产生涡旋光的激光器的体积,有利于集成化的工业应用。(The invention provides a microchip laser capable of directly generating vortex beams and beat frequency, which can directly generate the vortex beams and output the beat frequency at the same time, and has the advantages of simpler and more compact structure and stable output. The crystal shell with the circular symmetry end face cooling structure is adopted to provide circular symmetry temperature gradient field distribution for the dual-polarization micro laser cavity, and vortex beams can be directly generated; and splitting the laser into vertically polarized dual-frequency laser by using a micro-slab birefringent crystal, wherein two frequencies have different transverse mode modes, and one of the two frequencies is LG 01 The other is a basic transverse mold. The invention does not need special pumping source and beam control element, can directly generate vortex beam, and the vortex rotation and the orthogonal polarization fundamental transverse mode can generate stable beat frequency; gain crystal and birefringent crystal with micro-slab structureThe cross-sectional area and the thickness of the laser can be controlled in millimeter magnitude, so that the volume of the laser directly generating vortex rotation is greatly reduced, and the industrial application of integration is facilitated.)

一种直接产生涡旋光束以及拍频的微片激光器

技术领域

本发明属于双频微片激光技术领域，具体涉及一种直接产生涡旋光束以及拍频的微片激光器。

背景技术

近几十年对于微片激光器输出特性研究工作帮助我们对激光的物理性质有了更深入的理解，尤其是固体激光器。双频微片激光器输出光载有微波或太赫兹波成分，在激光雷达探测和光通信方面有着重要的应用。

近年来，由微片激光器直接产生涡旋光束引起了人们的广泛关注。现在直接产生涡旋光束的方式主要有两种：一种是利用环形泵浦源，另一种是在谐振腔中引入低阶模式损耗，前者可以看作增益控制，后者是损耗控制；但是环形泵浦源结构复杂，使得激光器整体结构不够紧凑；在谐振腔中引入低阶模式损耗会导致激光器器件较多，结构也比较复杂，稳定性也难以保证。现有的直接产生涡旋光束难以满足小型化和高稳定性的要求。

另外，直接产生涡旋光束的同时有双频拍频效应在双频激光探测领域将发挥出独特的应用价值，双频频差能够测量被测目标的距离与径向速度信息，而涡旋光束能够测量目标的自转角速度甚至是切向速度信息。因此，将双频激光与涡旋光束相融合的技术在探测领域具有巨大的应用价值，有希望成为下一代激光雷达探测技术的主流。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种直接产生涡旋光束以及拍频的微片激光器，能够直接产生涡旋光束的同时输出拍频，结构更加简单、紧凑，输出稳定。

本发明提供了一种直接产生涡旋光束以及拍频的微片激光器，包括泵浦源、双折射晶体、增益晶体和第一谐振腔镜、第二谐振腔镜以及晶体外壳；

其中，双折射晶体和增益晶体贴合在一起形成复合晶体，双折射晶体和增益晶体均采用微片结构；

所述复合晶体一端镀膜形成第一谐振腔镜，另一端镀膜形成第二谐振腔镜，第一谐振腔镜对泵浦光高透，对振荡激光高反，第二谐振腔镜对振荡激光部分透射；所述复合晶体嵌入晶体外壳中，晶体外壳与复合晶体端面的贴合部分采用圆对称分布的凸台结构，凸台中心设有第一通光孔，晶体外壳上与第一通光孔相对的一侧设有第二通光孔，输出激光通过第二通光孔输出；

泵浦源用于产生泵浦光，泵浦光通过第一通光孔的中心以圆形光斑正入射增益晶体；双折射晶体用于将激光***为垂直偏振的双频激光。

其中，所述晶体外壳中设有凹槽以及夹片，复合晶体嵌入凹槽中，并通过夹片固定。

其中，所述晶体外壳为金属外壳，采用端面贴合热传导方式，将热量直接从复合晶体端面传导至金属外壳上。

其中，所述晶体外壳与温控装置相连，用于控制复合晶体的温度。

有益效果：

本发明采用具有圆对称性端面冷却结构的晶体外壳为双偏振微型激光腔提供圆对称的温度梯度场分布，能够直接产生涡旋光束；再利用微片双折射晶体将激光***为垂直偏振的双频激光，并且两个频率具有不同的横模模式，其中一个为LG₀₁模，另一个为基横模。本发明不需要特殊的泵浦源与光束控制元件，可以直接产生涡旋光束，而且涡旋光与正交偏振的基横模可以产生稳定的拍频；具有微片结构的增益晶体和双折射晶体，横截面积与厚度都可以控制在毫米量级，极大的缩小了直接产生涡旋光的激光器的体积，有利于集成化的工业应用。

附图说明

图1为本发明激光器谐振腔的结构图；

其中，1-双折射晶体；2-增益晶体；3-第一谐振腔镜；4-第二谐振腔镜。

图2为本发明晶体外壳的结构图；

其中，5-夹片；6-凹槽；7-第一通光孔；8-第二通光孔2。

图3为本发明泵浦光入射示意图；

其中，9-尾纤半导体激光器；10-泵浦光；11-透镜组；12-晶体外壳。

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。

本发明和前文提到的两种方式完全不同，本发明的双偏振微片激光器利用增益晶体2温度梯度场控制和偏振控制产生了涡旋光束以及拍频信号。具体为：由双折射晶体1和增益晶体2组成谐振腔，同时本发明的双偏振微片激光器产生了自调Q效应，利用正入射圆形光斑的泵浦光10和对称结构的晶体外壳12，使增益晶体2温度梯度场对称分布，可以很容易地直接产生带有轨道角动量的涡旋光(LG₀₁模)；再利用双折射晶体1的偏振选择特性，得到正交偏振LG₀₁模与基横模同时输出，可以输出GHz量级的拍频信号。

本发明的双偏振微片激光器的谐振腔由双折射晶体1和增益晶体2复合而成，本实施例中双折射晶体1和增益晶体2均采用微片结构，厚度为百微米量级，横截面积为1mm*1mm，两者以光胶的形式贴合在一起，形成复合晶体。增益晶体2与双折射晶体1不接触的端面镀膜形成第一谐振腔镜3，第一谐振腔镜3对泵浦光具有高透过率，对振荡激光部分透射；双折射晶体1与与增益晶体2不接触的端面镀膜形成第二谐振腔镜4，第二谐振腔镜4对激光高反；增益晶体2和双折射晶体1与第一谐振腔镜3、第二谐振腔镜4构成了具有双偏振特性的谐振腔。

双折射晶体1和增益晶体2的复合晶体嵌入晶体外壳12的凹槽6中，利用夹片5固定；晶体外壳12为金属外壳，采用大面积端面贴合热传导方式，该方式能够将热量直接从晶体端面传导致金属外壳12上，不同于传统的激光晶体侧面冷却方式；晶体外壳12还可以与其他温控装置相连，以控制复合晶体的温度；晶体外壳12与复合晶体端面的贴合部分采用圆对称分布的凸台结构，能够与合晶体充分接触，并在凸台中心预留第一通光孔7，晶体外壳12上与第一通光孔7相对的一侧设有第二通光孔8，输出激光通过第二通光孔8输出。

尾纤半导体激光器9产生泵浦光10，泵浦光10经过透镜组11汇聚成圆形光斑，通过第一通光孔7的中心正入射增益晶体2。由于晶体外壳12和泵浦光斑均为圆对称结构，使得增益晶体2内温度梯度场分布也是对圆称分布，从而能够直接产生LG₀₁模式。激光传播进双折射晶体1后，由于双折射晶体1具有各向异性，激光***为两个正交的线偏光，在两个正交的偏振方向上产生不同的横模模式，两个偏振方向的增益与损耗不同，导致二者激光阈值不同。在低泵浦功率条件下，两个模式均为TEM₀₀模，提高泵浦功率后，首先在其中一个偏振方向上产生LG₀₁模，假设该方向为x，x方向上LG₀₁模与TEM₀₀模会发生模式竞争，在较高泵浦功率条件下，LG₀₁模处于优势地位，x方向上的TEM₀₀模会得不到足够的增益而熄灭；另一个偏振方向假设为y，y方向TEM₀₀模与x方向LG₀₁模的频差较大，考虑到纵向烧孔效应，y方向TEM₀₀模与x方向LG₀₁模之间的竞争比x方向上LG₀₁模与TEM₀₀模之间的竞争弱。于是，在x方向上LG₀₁模、TEM₀₀模，y方向TEM₀₀模共同竞争机制下，双偏振微片激光器最终会输出x方向上LG₀₁模和y方向TEM₀₀模的激光，输出激光通过第二通光孔8输出。

可见，本发明利用双偏振微片激光器产生了垂直偏振的基横模(TEM₀₀模)和拉盖尔-高斯模(LG₀₁模)；具体是利用轴对称的晶体外壳使晶体产生对称的温度梯度分布场，泵浦光以圆形光斑正入射增益晶体，用以产生LG₀₁模；再利用微片双折射晶体将激光***为垂直偏振的双频激光，并且两个频率具有不同的横模模式；其中一个就是LG₀₁模，另一个为基横模；并且两个模式相干，可以产生稳定的拍频。另外，具有微片结构的增益晶体和双折射晶体，横截面积与厚度都可以控制在毫米量级，极大的缩小了产生涡旋光激光器的体积，有利于集成化，本发明更加简单，结构更加紧凑和稳定。

本发明将双频激光与涡旋光束的直接产生相融合，通过激光谐振腔直接产生出具有不同频率或波长，且垂直偏振的两个模式，其中模式之一为涡旋光束，另一模式为基模光束，且两模式能够严格共轴传播。由于两个模式在模式、偏振、光频率上的特征区别，其在双频激光探测领域将发挥出独特的应用价值。

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。