【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光学和激光，特别涉及一种高阶叠加态lg模式产生装置与产生方法。
技术介绍
1、涡旋光束作为一种典型的高阶模式，在空间表现为环形分布，而且还具有轨道角动量特性，可以用于微观粒子或原子之间角动量的传递，近年来在多光阱光镊、微纳加工以及高效、高精度激光加工方面表现出了十分可观的优势，其中更高阶数的光学涡旋在高角动量量子纠缠和高灵敏度空间测量方面具有巨大的应用前景。期刊论文《generatinghigh-charge optical vortices directly from laser up to 288th order》通过在激光腔镜表面刻画圆形图案，在谐振腔内引入低阶模式损耗来产生高阶lg模式。期刊论文《ultra-high-order laguerre–gaussian field generated directly from a lasercavity with spherical aberration》介绍了一种利用激光腔内透镜的球差直接产生超高阶拉盖尔-高斯模式的方法。该方法基于端泵nd:yvo4激光器，在谐振腔内加入焦距分别为150mm，51.8mm的两个透镜，利用51.8mm焦距透镜所具有的球差对腔内模式进行选择，进而实现高阶lg模式的输出。
2、由于高阶模式的不稳定性，如何可控地生成高阶模式是涡旋光领域的一个难题。现有的利用在腔镜表面刻画图案以抑制低阶模式的方案存在损耗较大，不易获得高功率的涡旋光束输出的问题。现有的在腔内加光学元件进行模式选择的方案存在要得到较高阶的lg模式时，所使用的
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术中在固体激光器中直接生成高阶lg涡旋光束时存在的输出功率低、输出模式纯度低、装置复杂等缺陷，提供一种简单便捷、结构紧凑、对精确控制需求不高以及转换效率较高的固体涡旋光激光器(高阶叠加态lg模式产生装置)来实现超高阶数lg涡旋光束的生成。
2、一方面，一种高阶叠加态lg模式产生装置，包括如下：
3、包括依次设置的泵浦光源、第一平凸透镜、锥透镜、第二平凸透镜和激光谐振腔；
4、所述泵浦光源，产生水平方向的泵浦激光，并输出至第一平凸透镜；
5、所述第一平凸透镜，将泵浦激光准直聚焦到锥透镜上；
6、所述锥透镜，产生贝塞尔环形光束，输出至第二平凸透镜；
7、所述第二平凸透镜，将贝塞尔环形光束聚焦到激光增益介质内；
8、所述激光谐振腔，由激光增益介质、第三平凸透镜和平面镜组成，激光增益介质的镀膜前端面作为输入耦合镜，镀膜的平面镜作为输出耦合镜；其中，进入激光谐振腔的贝塞尔环形光束激发激光增益介质产生环形涡旋光束，环形涡旋光束经过第三平凸透镜后，满足振荡条件的环形涡旋光束在激光谐振腔中来回振荡，产生高阶叠加态lg模式，通过输出耦合镜输出。
9、优选的，所述泵浦光源为单模光纤输出的光纤激光器或单模光纤耦合的半导体激光器；所述泵浦光源的输出波长与激光增益介质的吸收波长匹配，泵浦光源的波长在400～2100nm之间；所述泵浦光源的平均输出功率在0～400w之间。
10、优选的，第一平凸透镜与泵浦光源的光源输出端面之间的距离为第一平凸透镜的焦距。
11、优选的，所述锥透镜是一种圆锥棱镜。
12、优选的，所述激光增益介质的基质包括钨酸盐kgw、氟化钾镧钡钠kblan、钒酸钇yvo4、钇铝石榴石yag、钇氟化锂ylf、铝酸钇yap或玻璃glass；其中，钒酸钇yvo4、钇铝石榴石yag、钇氟化锂ylf、铝酸钇yap或玻璃glass掺杂有浓度在0.2～10％之间的稀土离子；所述激光增益介质沿着光传播方向的长度在2～15mm之间。
13、优选的，第三平凸透镜的焦距在10～40mm之间。
14、优选的，所述激光谐振腔为平面平行腔；所述激光增益介质的镀膜前端面为激光增益介质面向泵浦光源的端面，激光增益介质的前端面的镀膜为双色膜层；平面镜的镀膜为单膜层；输入耦合镜与输出耦合镜之间的距离大于第三平凸透镜焦距10～20mm。
15、优选的，激光增益介质受激发产生的环形涡旋光束波长在800nm～2100nm之间。
16、优选的，高阶叠加态lg模式产生装置还包括：第一多维位移台和第二多维位移台；所述锥透镜与第一多维位移台固定，所述第三平凸透镜与第二多维位移台固定；第一多维位移台沿着激光传播轴线移动，或者，沿垂直于激光传播轴线的面水平或上下移动；第二多维位移台沿着激光传播轴移动，或者，沿垂直于激光传播轴线的面水平或上下移动。
17、另一方面，一种高阶叠加态lg模式产生方法，具体步骤如下：
18、s1，按产生的激光方向同轴布置泵浦光源、第一平凸透镜、锥透镜、第二平凸透镜、激光增益介质和平面镜；所述第一平凸透镜和第二平凸透镜的凸面均面向泵浦光源；所述锥透镜的锥面背向泵浦光源；
19、s2，由泵浦光源产生泵浦激光，调节第一平凸透镜的位置使泵浦激光准直到锥透镜上，泵浦激光穿过锥透镜产生的贝塞尔环形光束经第二凸透镜聚焦后进入激光增益介质内，调节激光增益介质和平面镜的角度，使激光增益介质的端面和平面镜镜面垂直于泵浦激光传播的轴线，使泵浦激光激发增益介质产生的激光模式在激光谐振腔内多次往返振荡获得激光输出；
20、s3，先粗略调节第一多维位移台，改变锥透镜的位置，使贝塞尔环形光束聚焦在激光增益介质的镀膜前端面处，再精密调节第一多维位移台，改变锥透镜的位置，使贝塞尔环形光束聚焦后的中心圆孔位置处于激光增益介质的镀膜前端面中心，进入激光增益介质内，贝塞尔环形光束激发激光增益介质产生环形涡旋光束；
21、s4，利用第二多维位移台将第三平凸透镜插入激光谐振腔贴近平面镜的位置，第三平凸透镜的凸面面向泵浦光源，使第三平凸透镜中心处于泵浦激光传播轴线，使环形涡旋光束通过第三平凸透镜，满足振荡条件的环形涡旋光在激光谐振腔中多次往返振荡；
22、s5，精密调节第二多维位移台，使第三平凸透镜沿泵浦激光传播轴线向激光增益介质所在方向缓慢移动，移动过程中，基于第三平凸透镜的球差作用，输出模式从基模高斯光束转变为多环花瓣状叠加lg模式，再转变为单环高阶花瓣状叠加lg模式，最后转变为无模式输出；其中，单环高阶花瓣状叠加lg模式为所需的模式。
23、与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
24、(1)本专利技术提供了一种简单便捷、结构紧凑、对精确控制需求不高以及转换效率较高的固体涡旋光激光器(高阶叠加态lg模式产生装置)来实现超高阶数lg涡旋光束的生成；
25、(2)本专利技术在激光谐振腔中使用平凸透镜，利用平凸透镜的球差作用在激光谐振腔中产生高阶叠加态lg模式。
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1.一种高阶叠加态LG模式产生装置，其特征在于，包括依次设置的泵浦光源、第一平凸透镜、锥透镜、第二平凸透镜和激光谐振腔；
2.根据权利要求1所述的高阶叠加态LG模式产生装置，其特征在于，所述泵浦光源为单模光纤输出的光纤激光器或单模光纤耦合的半导体激光器；所述泵浦光源的输出波长与激光增益介质的吸收波长匹配，泵浦光源的波长在400～2100nm之间；所述泵浦光源的平均输出功率在0～400W之间。
3.根据权利要求1所述的高阶叠加态LG模式产生装置，其特征在于，第一平凸透镜与泵浦光源的光源输出端面之间的距离为第一平凸透镜的焦距。
4.根据权利要求1所述的高阶叠加态LG模式产生装置，其特征在于，所述锥透镜是一种圆锥棱镜。
5.根据权利要求1所述的高阶叠加态LG模式产生装置，其特征在于，所述激光增益介质的基质包括钨酸盐KGW、氟化钾镧钡钠KBLAN、钒酸钇YVO4、钇铝石榴石YAG、钇氟化锂YLF、铝酸钇YAP或玻璃GLASS；其中，钒酸钇YVO4、钇铝石榴石YAG、钇氟化锂YLF、铝酸钇YAP或玻璃GLASS掺杂有浓度在0.2～10％之间的
6.根据权利要求1所述的高阶叠加态LG模式产生装置，其特征在于，第三平凸透镜的焦距在10～40mm之间。
7.根据权利要求1所述的高阶叠加态LG模式产生装置，其特征在于，所述激光谐振腔为平面平行腔；所述激光增益介质的镀膜前端面为激光增益介质面向泵浦光源的端面，激光增益介质的前端面的镀膜为双色膜层；平面镜的镀膜为单膜层；输入耦合镜与输出耦合镜之间的距离大于第三平凸透镜焦距10～20mm。
8.根据权利要求1所述的高阶叠加态LG模式产生装置，其特征在于，激光增益介质受激发产生的环形涡旋光束波长在800nm～2100nm之间。
9.根据权利要求1所述的高阶叠加态LG模式产生装置，其特征在于，还包括：第一多维位移台和第二多维位移台；所述锥透镜与第一多维位移台固定连接，所述第三平凸透镜与第二多维位移台固定连接；第一多维位移台沿着激光传播轴线移动，或者，沿垂直于激光传播轴线的面水平或上下移动；第二多维位移台沿着激光传播轴移动，或者，沿垂直于激光传播轴线的面水平或上下移动。
10.一种高阶叠加态LG模式产生方法，其特征在于，包括如下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种高阶叠加态lg模式产生装置，其特征在于，包括依次设置的泵浦光源、第一平凸透镜、锥透镜、第二平凸透镜和激光谐振腔；
2.根据权利要求1所述的高阶叠加态lg模式产生装置，其特征在于，所述泵浦光源为单模光纤输出的光纤激光器或单模光纤耦合的半导体激光器；所述泵浦光源的输出波长与激光增益介质的吸收波长匹配，泵浦光源的波长在400～2100nm之间；所述泵浦光源的平均输出功率在0～400w之间。
3.根据权利要求1所述的高阶叠加态lg模式产生装置，其特征在于，第一平凸透镜与泵浦光源的光源输出端面之间的距离为第一平凸透镜的焦距。
4.根据权利要求1所述的高阶叠加态lg模式产生装置，其特征在于，所述锥透镜是一种圆锥棱镜。
5.根据权利要求1所述的高阶叠加态lg模式产生装置，其特征在于，所述激光增益介质的基质包括钨酸盐kgw、氟化钾镧钡钠kblan、钒酸钇yvo4、钇铝石榴石yag、钇氟化锂ylf、铝酸钇yap或玻璃glass；其中，钒酸钇yvo4、钇铝石榴石yag、钇氟化锂ylf、铝酸钇yap或玻璃glass掺杂有浓度在0.2～10％之间的稀土离子；所述激光增益介质沿着光传播...
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