[发明专利]一种产生高空间强度对比度的飞秒涡旋光束的方法

说明书

本发明公开一种产生高空间强度对比度的飞秒涡旋光束的方法，包括搭建具有泵浦源、增益晶体、可饱和吸收镜和输出耦合镜的激光传输腔体，基于半导体可饱和吸收镜(SESAM)锁模产生高阶飞秒厄米高斯光束，在腔外利用柱透镜模式转换器将其转换为高阶飞秒拉盖尔高斯光束，即飞秒涡旋光束。本发明产生的飞秒涡旋光束空间对比度高，解决了传统方法产生的宽带涡旋光束空间对比度低的问题；同时实现拓扑荷数可调。

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及产生高阶飞秒厄米高斯光束的方法以及将飞秒厄米高斯光束转换为飞秒拉盖尔高斯光束的方法。

背景技术

飞秒涡旋光束在时域上拥有脉冲持续时间短，峰值功率高等特点；同时在空间域上具有螺旋形相位和环形光束的特点，对于带有拓扑荷数为l的涡旋光束，其光子能携带的角动量。因此，飞秒涡旋光束在强场物理、材料加工、光学操控以及光通讯等领域具有重要的应用前景。

以往飞秒涡旋光束的产生方法都是在腔外对基模的飞秒高斯光束进行空间位相调制，如利用螺旋相位板、计算全息等方法。而这些方法都无法产生纯净的飞秒涡旋光束，导致所产生的飞秒涡旋光束中心不空，即空间强度对比度低，而高的空间对比度对于飞秒涡旋光束在强场物理等方面的应用至关重要。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种产生高空间强度对比度的飞秒涡旋光束的方法。通过锁模激光器直接产生高阶飞秒厄米高斯光束，再利用柱透镜模式转换器将飞秒厄米高斯光束转换为飞秒拉盖尔高斯光束，即飞秒涡旋光束，保持了涡旋光束的单模性，大大提高了其空间对比度，解决了宽带飞秒涡旋光束空间对比度低的问题。

本发明的技术解决方案如下：

一种产生高空间强度对比度的飞秒涡旋光束的方法，该方法包括如下步骤：

步骤1，搭建具有泵浦源、增益晶体、可饱和吸收镜和输出耦合镜的激光传输腔体；首先调节基模高斯光束稳定的锁模状态,然后调节输出耦合镜改变腔轴旋转角度，使增益晶体内激光光束与泵浦光束呈一定角度，从而使厄米高斯光束的增益覆盖大于基模高斯光束的增益覆盖，并利用CCD照相机监测经输出耦合镜输出的激光光斑图样，直到CCD照相机中呈现飞秒厄米高斯光束图样，即产生高阶飞秒厄米高斯光束HG_0n，其中n为整数；

步骤2，搭建柱透镜模式转换器，利用CCD照相机监测输出的激光光斑图样，直到CCD照相机中呈现LG_0n模式的飞秒拉盖尔高斯光束图样，即将飞秒厄米高斯光束转换为飞秒拉盖尔高斯光束(即飞秒涡旋光束)。

所述的腔轴旋转角度θ，公式如下：

其中

式中P_th(HG_0n)代表HG_0n模式的厄米高斯光束对应的泵浦功率阈值，这里的n与公式中的n相同；H_n-k-2j为厄米多项式；ω_l为基模高斯光束光腰位置的光斑半径，由具体激光腔结构决定，可以通过空间传输的ABCD矩阵计算得到(几何光学的标准方法)；ω_x与ω_y为泵浦光束光腰位置的纵向与横向的光斑半径，可以直接测量得到；L为增益晶体长度；α为增益晶体对泵浦光的吸收系数，测量方法为：首先测量增益晶体对泵浦光的吸收率，再除以增益晶体长度，即为吸收系数；η_p、γ、I_sat分别为泵浦效率、损耗系数以及饱和光强，具体计算时，只需考虑不同模式之间的相对关系，这三个参数为常数，不影响计算结果，所以不需要具体的数值。

所述的激光传输腔体包括泵浦源、第一凸透镜、第二凸透镜、第一凹面镜、第二凹面镜、位于该第一凹面镜和第二凹面镜中心的增益晶体，第三凹面镜、可饱和吸收镜、棱镜对和输出耦合镜；