本發(fā)明涉及垂直外腔表面發(fā)射激光裝置(vecsel)，更具體地涉及使用這樣的裝置產(chǎn)生相干單頻渦旋模式或雙頻渦旋模式。

本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域是，但不限于，光子應(yīng)用，更確切地說，是微觀粒子的光學(xué)處理、原子操作、亞衍射顯微以及量子信息處理和通信。

背景技術(shù)：

螺旋相位的光束，也稱渦旋光束，其表現(xiàn)出沿著光束傳播方向以類似螺旋的方式變化的螺旋狀波前，并具有遵循圍繞光束軸線的螺旋軌跡的坡印亭(poynting)矢量。通過場(chǎng)表達(dá)式中的方位角相位項(xiàng)e^imθ來描述了這種行為，其中因子m稱為拓?fù)潆姾?，其根?jù)波前的旋轉(zhuǎn)方向能夠是正和負(fù)整數(shù)值。這個(gè)因子也表示相位結(jié)構(gòu)包含m個(gè)交織的螺旋。這樣的光束中的橫向強(qiáng)度分布看起來像在中心具有暗核心的光環(huán)，故被稱為甜甜圈形模式，并且最常見地是假定屬于拉格爾-高斯(laguerre-gaussian)或貝塞爾-高斯(bessel-gaussian)本征模式基礎(chǔ)。

已經(jīng)開發(fā)了若干公知的方法來產(chǎn)生具有螺旋波前的光束，總結(jié)為兩個(gè)不同的組：

-第一組方法包括通過使用外部模式轉(zhuǎn)換光學(xué)器件來操縱光，例如使用一對(duì)柱面透反射鏡將埃爾米特-高斯(hermite-gaussian)模式轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂新菪辔唤Y(jié)構(gòu)的所需的拉格爾-高斯(laguerre-gaussian)(lg)模式，或者使用空間光調(diào)制器或螺旋相位板將具有平行波前的常規(guī)激光束轉(zhuǎn)換為攜帶軌道角動(dòng)量(oam)的外來激光束，如us6,995,351b2中所公開的。然而，不便之處在于這樣的光學(xué)器件中的像素化和非線性缺陷是固有的，這導(dǎo)致光束的空間相干性和轉(zhuǎn)換效率的劣化。此外，這樣的裝置中液晶的損傷閾值限制功率，并且光束轉(zhuǎn)換方法通常很繁瑣且需要嚴(yán)格的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)，這使得光束質(zhì)量依賴于實(shí)驗(yàn)條件。

-第二組方法是直接產(chǎn)生渦旋激光束，即借助模態(tài)凈增益競(jìng)爭(zhēng)(借助空間燒孔(shb)，非線性模式競(jìng)爭(zhēng)過程)，通過選擇模式集lg0m中的一個(gè)模式來在光學(xué)腔內(nèi)產(chǎn)生螺旋光前。例如，其通過腔內(nèi)鎖定的兩個(gè)正交模式或通過使用環(huán)形泵浦光束來完成。然而，不便之處在于兩種方法都需要腔內(nèi)元件(吸收器、光圈、brewster窗、校準(zhǔn)器等)，這導(dǎo)致復(fù)雜的對(duì)準(zhǔn)過程并且影響光束的空間相干性。此外，波前旋轉(zhuǎn)方向的選擇也是不明確的或者不被理解的。

本發(fā)明的目的是解決前面提到的問題并且進(jìn)一步引出一些其他的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的一個(gè)目的是提供高相干旋轉(zhuǎn)對(duì)稱橫模的直接激光產(chǎn)生。

本發(fā)明的另一目的是提供攜帶具有受控電荷和符號(hào)的軌道角動(dòng)量的激光源。

本發(fā)明的另一目的是提供單渦旋模式的穩(wěn)定、魯棒和受控的激光效應(yīng)。

本發(fā)明的另一目的是提供實(shí)現(xiàn)高功率操作的激光源。

本發(fā)明的另一目的是提供具有集成裝置的激光源。

本發(fā)明的另一目的是降低制造這樣的裝置的成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

這樣的目的是通過一種用于產(chǎn)生螺旋形相位光波的激光裝置實(shí)現(xiàn)的，該裝置包括：(i)增益區(qū)，其位于由第一反射鏡限定的第一端和由出口區(qū)域限定的第二端之間，(ii)第二反射鏡，其布置為與第一反射鏡一起形成包括所述增益區(qū)以及出口區(qū)與第二反射鏡之間的間隙的光學(xué)腔(例如由自由空間、基體材料或光導(dǎo)組成)，以及(iii)用于對(duì)增益區(qū)進(jìn)行泵浦以產(chǎn)生光波的部件。根據(jù)本發(fā)明的激光裝置還包括用于使光波的光強(qiáng)度和/或相位分布成形且布置為選擇光波的至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱橫模的至少一個(gè)部件，所述旋轉(zhuǎn)對(duì)稱橫模是從具有等于零的徑向指數(shù)且具有模數(shù)為大于或等于1的整數(shù)的方位角指數(shù)的那些旋轉(zhuǎn)對(duì)稱橫模之間選出的。

因此，可以使用根據(jù)本發(fā)明的裝置通過輕微地?cái)_動(dòng)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱橫向本征基礎(chǔ)來控制平凹激光腔中的oam的電荷和符號(hào)—以打破逆時(shí)針方式的對(duì)稱并且提升光學(xué)頻率簡(jiǎn)并度—以這種方式使得具有不需要的oam符號(hào)的模式被極大地改變，而不顯著地影響所需的模式，其使得激光諧振器更有利于通過例如在增益區(qū)中的模式交互和競(jìng)爭(zhēng)或用外部源的注入鎖定來保持后者。因此，本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是選擇能夠進(jìn)行渦旋激光的一些特定的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱橫模：它提供高相干性的直接激光的產(chǎn)生。

在優(yōu)選實(shí)施例中，在拉蓋爾-高斯(laguerre-gauss)(lg)或貝塞爾-高斯(bessel-gaussian)(bg)本征基礎(chǔ)中選擇旋轉(zhuǎn)對(duì)稱橫模。方位角指數(shù)可以選擇為非整數(shù)，但是其會(huì)導(dǎo)致非最佳操作模式。

因此，雖然拉蓋爾-高斯和貝塞爾-高斯本征基礎(chǔ)包括很多橫模，但是本發(fā)明在于選擇一些非常特定的橫模。產(chǎn)生攜帶軌道角動(dòng)量的光波的那些橫模是非常特定的且不容易分離。本發(fā)明旨在首先選擇產(chǎn)生攜帶軌道角動(dòng)量的光波的那些橫模，其次控制其符號(hào)及其電荷。如先前技術(shù)中所公開的，預(yù)測(cè)性地控制光波角動(dòng)量的符號(hào)和電荷是一個(gè)問題；許多解決方案在可重復(fù)性和再現(xiàn)性方面都沒有得到一些好的結(jié)果。

根據(jù)本發(fā)明的裝置包括任何類型的激光器。在優(yōu)選實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的激光裝置可以包括任何類型的盤形激光器，例如垂直外腔表面發(fā)射激光器，但是也可以是二極管泵浦固體激光器(dpssl)、染料激光器、氣體激光器。

因此，根據(jù)本發(fā)明的激光裝置提供簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)，不需要額外的元件或附加的光束成形光學(xué)器件，并且其適用于具有良好相干性和良好穩(wěn)定性的大功率操作。

根據(jù)本發(fā)明的裝置包括任何類型的光學(xué)腔。在優(yōu)選實(shí)施例中，所述光學(xué)腔可以由具有一個(gè)切割端的至少一個(gè)光纖構(gòu)成并且在其長(zhǎng)度的至少一部分上包括增益區(qū)。

根據(jù)另一實(shí)現(xiàn)方式，用于使光波的光強(qiáng)度和/或相位分布成形的至少一個(gè)部件可以包括用于對(duì)所述光波進(jìn)行橫向?yàn)V波的至少一個(gè)部件。

根據(jù)另一實(shí)現(xiàn)方式，用于對(duì)光波進(jìn)行橫向?yàn)V波的至少一個(gè)部件可以以中心縱向軸線為中心。

根據(jù)另一實(shí)現(xiàn)方式，用于對(duì)光波進(jìn)行橫向?yàn)V波的至少一個(gè)部件可以包括以下功能區(qū)域中的至少一個(gè)：

-中心盤狀區(qū)，其提供在最小相移值和最大相移值之間的高光損耗，和/或

-第一環(huán)形區(qū)，其位于所述中心盤狀區(qū)周圍，并且提供每次腔往返的方位角漸變相移δm。

例如，中心盤狀區(qū)的兩個(gè)區(qū)域之間的相移可以是大約π/4。

可以通過任何類型的結(jié)構(gòu)來提供由中心盤狀區(qū)引起的損耗，例如吸收結(jié)構(gòu)、漫射結(jié)構(gòu)或衍射結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)可以提供一些局部損耗以削弱基本的激光模式。

由環(huán)形區(qū)引起的相移δm可以是能夠在在光學(xué)腔內(nèi)振蕩的光波上產(chǎn)生方位角去相位的任何類型。在優(yōu)選實(shí)施例中，環(huán)形區(qū)由衍射材料制成，如下文所述。

因此，可以在光學(xué)激光腔中引入一些弱擾動(dòng)，從而控制光學(xué)腔內(nèi)的激光波前的相移，以提供軌道角動(dòng)量。通過調(diào)諧用于對(duì)光波進(jìn)行橫向?yàn)V波的至少一個(gè)部件的尺寸和光學(xué)特性來控制軌道角動(dòng)量的電荷和符號(hào)。更確切地，在此前定義的每一個(gè)區(qū)域都針對(duì)渦旋激光發(fā)射實(shí)現(xiàn)一個(gè)不同的功能：

-中心盤狀區(qū)實(shí)現(xiàn)突變相位步進(jìn)以在掩膜的中心處提供高衍射損耗，其用于通過將該相位步進(jìn)放在該模式的暗區(qū)中來選擇給定的渦旋“甜甜圈模式(doughnutmode)”。因此，除了所需的激光模式之外的所有激光模式都經(jīng)受高衍射損耗。它還允許通過控制中心盤狀區(qū)的直徑來控制渦旋模式的電荷。直徑越大，渦旋“甜甜圈模式”的暗核心越大，進(jìn)而oam的電荷越大。

-環(huán)形區(qū)引入相位擾動(dòng)以控制渦旋模式的旋轉(zhuǎn)方向，即oam的符號(hào)。

在優(yōu)選實(shí)施例中，在根據(jù)本發(fā)明的裝置中，用于對(duì)光波進(jìn)行橫向?yàn)V波的至少一個(gè)部件還可以包括位于第一環(huán)形區(qū)周圍并且提供模態(tài)方位角漸變相移的至少又一個(gè)環(huán)形區(qū)。因此，可以通過調(diào)節(jié)在光學(xué)腔內(nèi)振蕩的光波的直徑(即光束腰)來簡(jiǎn)單地控制波前的旋轉(zhuǎn)方向。例如，能夠通過調(diào)節(jié)光束腔長(zhǎng)度和/或光學(xué)器件的曲率半徑來簡(jiǎn)單地控制光束腰。

在優(yōu)選實(shí)施例中，用于對(duì)光波進(jìn)行橫向?yàn)V波的至少一個(gè)部件還可以包括另外的功能化外部區(qū)域，其產(chǎn)生增益(通過泵浦)和/或損耗(通過吸收、漫射、衍射)并且位于周邊區(qū)域。在優(yōu)選實(shí)施例中，所述另外的功能化吸收區(qū)域位于環(huán)形區(qū)的外部。另外的功能化外部區(qū)域旨在過濾在光學(xué)腔內(nèi)振蕩的光波，以限制其外徑并選擇所需的模式。

因此可以通過沿著超過不期望的高階橫模提供足夠的衰減，來更精確地選擇能夠進(jìn)行渦旋激光效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱橫模。

在一些其他實(shí)現(xiàn)方式中，可以將中心盤狀區(qū)劃分為兩個(gè)子區(qū)域，提供最小相移值的第一子區(qū)域，和提供最大相移值的第二子區(qū)域，所述中心盤狀區(qū)提供模態(tài)損耗。優(yōu)選地，兩個(gè)子區(qū)域相等，即每個(gè)子區(qū)域覆蓋中心盤狀區(qū)的50％，以在基本激光模式上提供最大損耗。然而，在一些其他實(shí)現(xiàn)方式中，兩個(gè)子區(qū)域中的一個(gè)可以小于另一個(gè)。

在一些其他實(shí)現(xiàn)方式中，對(duì)于光學(xué)腔中光波的最多一圈和一次往返，環(huán)形區(qū)可以提供在最小相移值和最大相移值之間的至少一個(gè)分級(jí)擾動(dòng)螺旋相移δm，所述環(huán)形區(qū)提供包含從2π*1·10^-5到2π/5的模態(tài)相移。相移值可以使用用于橫向?yàn)V波的至少一個(gè)部件來獲得。

在一些其他實(shí)現(xiàn)方式中，最大相移值δm相對(duì)于2π是可忽略的，例如，其可以小于δm＝2π/5，以便不會(huì)太多地?cái)_動(dòng)在光學(xué)腔內(nèi)振蕩的光波。目的是僅引入小的擾動(dòng)效應(yīng)，以打破逆時(shí)針方式的對(duì)稱性并提升具有相同電荷但相反旋轉(zhuǎn)方向的渦旋模式的簡(jiǎn)并化(光頻率分割)。

在一些其他實(shí)現(xiàn)方式中，最小相移值可以等于0并且最大相移值可以等于2π/100弧度。在更一般的方式中，相移值旨在擾動(dòng)腔本征模式。因此，有必要引入一些具有弱相位差的光擾動(dòng)。最大值可以是大約2π弧度的百分之幾，其依賴于腔的精細(xì)度。通常，模態(tài)光束方位角相位中的得到的相移在每次往返可以為從2π×1·10^-5到2π/5。

因此，得到的模態(tài)相移與γxy×δm成比例，其中γxy是光束和由環(huán)形區(qū)提供的螺旋相位元件之間的重疊因子，由下式給出：

其中un(x,y)是光學(xué)腔模場(chǎng)的橫向分布，而uspe是螺旋相位元件的表面分布函數(shù)。

由于想要使模態(tài)相移γxy×δm顯著低于2π，具有更精確的定義，可以使兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的vortex模式的得到的光頻率分割大于光學(xué)腔頻率截去的一部分，其對(duì)應(yīng)于自由光譜范圍/精細(xì)度。

在一些其他實(shí)施例中，由螺旋相位元件提供的方位角相位擾動(dòng)可以是從最小值到最大值單調(diào)的。

在一些其他實(shí)施例中，由螺旋相位元件提供的方位角相位擾動(dòng)可以是在第一方位角位置(例如0弧度)處的最小值與第二方位角位置(例如2π弧度)處的最大值之間線性的。

在一些其他實(shí)施例中，由螺旋相位元件提供的方位角相位擾動(dòng)可以在一圈(2π弧度)之前達(dá)到最大值。

在一些其他實(shí)施例中，由螺旋相位元件提供的方位角相位擾動(dòng)可以是非單調(diào)的，并且在一圈(2π弧度)中由多于兩個(gè)極值構(gòu)成。

在一些其他實(shí)施例中，由螺旋相位元件提供的方位角相位擾動(dòng)可以由具有不同種類的斜率和/或符號(hào)的一些線性部分構(gòu)成，例如鋸齒信號(hào)。

根據(jù)另一實(shí)現(xiàn)方式，用于橫向?yàn)V波的至少一個(gè)部件可以包括位于或鄰近以下位置之一的一個(gè)單個(gè)掩模：(i)光波的波腹，(ii)到增益區(qū)上，(iii)到第二反射鏡上。

在另一實(shí)現(xiàn)方式中，用于橫向?yàn)V波的至少一個(gè)部件可以包括用至少一個(gè)功能化區(qū)域圖案化的多個(gè)掩模，并且該多個(gè)掩模中的至少一個(gè)位于或鄰近光波的波腹。

在優(yōu)選實(shí)施例中，用于橫向?yàn)V波的至少一個(gè)部件可以包括至少一個(gè)子波長(zhǎng)厚掩模，以便沿著期望的模式減少衍射損耗并且對(duì)不期望的模式是選擇性的。

在優(yōu)選實(shí)施例中，用于對(duì)光波進(jìn)行橫向?yàn)V波的至少一個(gè)部件可以是平坦光子元件。因此，這種結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)及其在光腔內(nèi)的集成—特別是其中心沿著縱向軸線—是有利的。

在優(yōu)選實(shí)施例中，用于對(duì)光波進(jìn)行橫向?yàn)V波的至少一個(gè)部件可以位于光波的波腹附近，以便以良好的精度引入這種弱相位差。

在另一優(yōu)選實(shí)施例中，可以由用于對(duì)光波進(jìn)行橫向?yàn)V波的至少一個(gè)部件的折射率的變化來提供中心盤狀區(qū)和/或環(huán)形區(qū)的相移。

在另一優(yōu)選實(shí)施例中，可以通過控制用于對(duì)光波進(jìn)行橫向?yàn)V波的至少一個(gè)部件的2d光柵尺寸特性來提供所述中心盤狀區(qū)和所述環(huán)形區(qū)的相移值。

因此，用于橫向?yàn)V波的至少一個(gè)部件的2d光柵用作折射率等于基本bloch模式的歸一化傳播常數(shù)的特異材料。因此，能夠通過仔細(xì)地控制2d光柵尺寸特性，例如孔直徑和兩個(gè)孔之間的距離，來進(jìn)一步控制其折射率。事實(shí)上，微小的空氣孔相當(dāng)于具有大的有效折射率的密集人造電介質(zhì)，而大孔區(qū)域?qū)崿F(xiàn)低折射率人造電介質(zhì)。

作為非限制性示例，對(duì)于用光子晶體制成的2d子波長(zhǎng)光柵，光柵結(jié)構(gòu)周期可以包含在0和λ/ngrat和λ/nsub之間的最小值之間，其中nsub是其上沉積有光子晶體的襯底層的折射率，并且ngrat是2d光柵的折射率；并且孔直徑必須包含在0和預(yù)先定義的光柵結(jié)構(gòu)周期之間。

在優(yōu)選實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的平坦光子元件可以使用iii-v半導(dǎo)體技術(shù)制造，或者使用半導(dǎo)體材料、電介質(zhì)材料、有機(jī)材料或金屬材料制造，只要光學(xué)指數(shù)的實(shí)部沿著縱向旋轉(zhuǎn)軸線變化。因此，使得其非常緊湊并且容易集成到激光腔內(nèi)，其確保對(duì)稱性要求并且進(jìn)而有助于提供魯棒的激光裝置。

根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)現(xiàn)方式，用于對(duì)增益區(qū)進(jìn)行泵浦的部件可以包括：(i)發(fā)射泵浦激光束的泵浦激光器和(ii)布置為對(duì)泵浦激光束強(qiáng)度進(jìn)行空間成形的部件。根據(jù)本發(fā)明，用于對(duì)光波的至少兩個(gè)橫向模式的光強(qiáng)度和/或相位分布進(jìn)行成形的至少一個(gè)部件可以包括用于對(duì)泵浦激光束強(qiáng)度進(jìn)行空間成形的部件，并且可以被布置為將泵浦光束強(qiáng)度圖案投射到與至少一個(gè)選定的光波的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱橫向模式對(duì)應(yīng)的出口區(qū)域上。

因此，可以對(duì)在光學(xué)腔內(nèi)振蕩的光波的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱橫模進(jìn)行光泵浦。其他模式不被泵浦。因此只有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱橫模被放大并且因此被選擇。本發(fā)明的一個(gè)方面是泵浦激光束的形狀符合那些模式。在其他一些方面，泵浦光束的強(qiáng)度可以成形為在光學(xué)腔內(nèi)尋找的光波的強(qiáng)度橫向分布。為了達(dá)到這個(gè)目的，泵浦激光器例如可以配備一些空間濾波器以便調(diào)整其強(qiáng)度的形狀。

在優(yōu)選實(shí)施例中，由泵浦激光器投射到出口區(qū)域上的泵浦光束強(qiáng)度圖案可以是"甜甜圈"形狀。

根據(jù)另一實(shí)現(xiàn)方式，用于對(duì)增益區(qū)進(jìn)行泵浦的部件可以包括增益區(qū)的電泵浦。

根據(jù)另一實(shí)現(xiàn)方式，第二反射鏡可以是凹面鏡、錐形鏡或非球面鏡。

根據(jù)另一實(shí)現(xiàn)方式，激光裝置還可以包括至少一個(gè)圓柱形或球形腔內(nèi)透鏡，并且第二反射鏡可以是平端鏡。

根據(jù)另一實(shí)現(xiàn)方式，本發(fā)明的裝置還可以包括用于主動(dòng)控制腔的縱向光學(xué)長(zhǎng)度和/或腔的方位角光程差的至少一個(gè)部件，以便主動(dòng)控制軌道角動(dòng)量的電荷和/或符號(hào)。

在優(yōu)選實(shí)施例中，用于主動(dòng)控制腔的縱向光學(xué)長(zhǎng)度和/或方位角光程差的部件可以是機(jī)械的和/或熱的和/或電的。

在優(yōu)選實(shí)施例中，用于主動(dòng)控制腔的縱向光學(xué)長(zhǎng)度的至少一個(gè)部件可以是設(shè)計(jì)用來移動(dòng)第二反射鏡以便改變光學(xué)腔的長(zhǎng)度的致動(dòng)器。

根據(jù)另一實(shí)現(xiàn)方式，本發(fā)明的裝置還包括至少一個(gè)寬帶光譜濾波器，以便選擇另一縱向模式，以提供具有多頻率的單渦旋模式。

本發(fā)明的另一方面是提出一種用于產(chǎn)生螺旋形相位光波的方法，其包括以下步驟中的至少一個(gè)：(i)在增益區(qū)內(nèi)產(chǎn)生光波，所述光波在光學(xué)腔內(nèi)振蕩，(ii)用泵浦部件對(duì)所述光波進(jìn)行泵浦，(iii)對(duì)光波的光強(qiáng)度和/或相位分布進(jìn)行成形，用于在具有等于零的徑向指數(shù)且具有模數(shù)為大于或等于1的整數(shù)的方位角指數(shù)的那些旋轉(zhuǎn)對(duì)稱橫模之間選擇所述光波的至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱橫模。

附圖說明

參考附圖可以更好的理解根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的方法和裝置，所給出的附圖僅用于說明的目的而不是限制性的。本發(fā)明的其他方面、目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)將從下文給出的說明中變得明顯。

-圖1描述了根據(jù)本發(fā)明的激光器的lg01和lg02模式的橫向強(qiáng)度和相位分布。

-圖2描述了根據(jù)本發(fā)明的發(fā)射渦旋激光束的激光裝置的示意圖。

-圖3是根據(jù)本發(fā)明的強(qiáng)度/相位成形掩模的示意圖。

-圖4是根據(jù)本發(fā)明的沿著掩模的環(huán)形區(qū)提供的相位梯度的示意圖。

-圖5是根據(jù)本發(fā)明的平坦光子元件的光學(xué)顯微反射鏡圖像。

-圖6描述了具有螺旋波前的lg模式的一些測(cè)量的強(qiáng)度分布，以及相應(yīng)的螺旋干涉條紋。

-圖7描述了根據(jù)本發(fā)明的激光裝置的示意圖，實(shí)現(xiàn)了用于對(duì)光波進(jìn)行橫向?yàn)V波的多個(gè)部件。

-圖8描述了用于對(duì)光波進(jìn)行過濾以選擇兩個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱橫模的部件的兩個(gè)示例。

-圖9是用于在本發(fā)明的另一實(shí)現(xiàn)方式中選擇光波的至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱橫模的泵浦激光束的強(qiáng)度分布。

-圖10是示出(由簡(jiǎn)并性提升產(chǎn)生的)拍頻關(guān)于重疊因子的演變的圖。

-圖11是示出重疊因子關(guān)于比率φ/ω0演變的圖。

-圖12描述了通過示出其歸一化光譜來實(shí)現(xiàn)單渦旋多頻激光器的兩個(gè)不同示例。

-圖13描述本發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)方式，其中用于橫向?yàn)V波的部件包括允許光束電荷符號(hào)控制的兩個(gè)環(huán)形區(qū)。

雖然已經(jīng)結(jié)合多個(gè)實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是顯然，許多替代方案、修改和變型對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說是顯而易見的。因此，其旨在包含本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有這樣的替代、修改、等同物和變型。

具體實(shí)施方式

在下文中，形容詞“縱向的”和“方位角的”是指對(duì)應(yīng)于光波傳播或腔軸線中的一者的方向，而形容詞“橫向的”和“徑向的”是指與縱向方向正交的方向。

形容詞“方位角的”是指在橫向平面上測(cè)量的并通過沿著縱向軸線給定的旋轉(zhuǎn)獲得的角度。

在接下來的描述中，不限制本發(fā)明的情況下，第一元件200被認(rèn)為是半導(dǎo)體元件。

如上所述，本發(fā)明旨在選擇在光學(xué)腔內(nèi)振蕩的光波的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱橫模。這些模式之一是具有徑向指數(shù)等于0且方位角指數(shù)為非零整數(shù)的laguerre-gauss。它可以是正的或者負(fù)的。在另一實(shí)施例中，它也可以是對(duì)應(yīng)于本征模式的非完美選擇的非整數(shù)值。

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的激光器的lg01和lg02模式的橫向強(qiáng)度和相位分布。圖101和103分別示出lg01模式的強(qiáng)度和相位分布，而圖102和103分別示出lg02模式的強(qiáng)度和相位分布。這些圖沿著橫向平面繪制。

101和102中示出的強(qiáng)度分布呈現(xiàn)“甜甜圈形狀”：因?yàn)闆]有光發(fā)射，所以中心是暗的，且由強(qiáng)度分布為高斯型的光環(huán)環(huán)繞。此外，拓?fù)潆姾蒻越高，暗核心的內(nèi)徑越大。

下面將描述根據(jù)所需的螺旋模式所尋求的拓?fù)潆姾蒻來定義內(nèi)部中心盤狀區(qū)的直徑。

圖105示出具有拓?fù)潆姾蒻＝1的渦旋束的螺旋波前示意圖，更確切地，沿著縱向軸線z的等相平面的傳播。

如上所述，本發(fā)明可以用下面描述的至少兩種實(shí)現(xiàn)方式來實(shí)施：

-第一實(shí)現(xiàn)方式實(shí)現(xiàn)用于對(duì)光波進(jìn)行濾波的至少一種部件。

-第二實(shí)現(xiàn)方式實(shí)現(xiàn)非均勻的光泵浦，以選擇性地放大所需的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱橫模。

第一實(shí)現(xiàn)方式

參考圖2描述本發(fā)明的第一實(shí)現(xiàn)方式。該方式允許具有魯棒且穩(wěn)定的單頻螺旋模式的穩(wěn)定且緊湊的激光模塊。

在優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明基于公知的vecsel，并且集成使用iii-v技術(shù)和外部凹型光學(xué)腔的功能。然而，本發(fā)明旨在保護(hù)適用于上述應(yīng)用和下文實(shí)施例的各種激光源。

vecsel技術(shù)基本上包括具有用于產(chǎn)生光輻射的增益介質(zhì)203以及第一反射鏡210的半導(dǎo)體元件200。增益介質(zhì)203可以包括例如量子阱或量子點(diǎn)，并且其可以是電泵浦或光泵浦的。第一反射鏡210可以包括構(gòu)成反射光波的布拉格(bragg)光柵202的一系列層。在優(yōu)選實(shí)施例中，半導(dǎo)體元件200可以安裝在具有用于穩(wěn)定和控制溫度的pelletier模塊(未示出)的散熱器上。

布拉格反射鏡202具有高反射率，高于輸出反射鏡的99％或更大；例如可以由31.5對(duì)aias/gaas四分之一波長(zhǎng)的層構(gòu)成。

增益區(qū)203，例如，由位于腔中激光場(chǎng)的波腹處的12個(gè)應(yīng)變平衡的ingaas/gaas(p)量子阱制成，具有不均勻的縱向分布，確保等量子阱的載流子激發(fā)。從布拉格到空氣的作用區(qū)域的總光學(xué)厚度為13/2個(gè)半波層。

這種半導(dǎo)體元件200通過公知的半導(dǎo)體制造技術(shù)制造，例如半導(dǎo)體分子束外延、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積、電子光刻、干蝕刻和濕蝕刻?？梢允褂萌魏伟雽?dǎo)體材料來制造根據(jù)本發(fā)明的這種裝置。

提供并布置具有凹形形狀的第二外部反射鏡206，以便與第一反射鏡210一起形成外部光學(xué)腔并且穩(wěn)定一些橫向模式。

之所以稱外部光學(xué)腔為“外部”是因?yàn)樗ㄅc半導(dǎo)體元件不同的部分。激光器的正常工作不需要內(nèi)部的任何額外的部件。優(yōu)選地，它的外部部分由空氣填充，構(gòu)成空氣間隙207，但是在一些其他實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的激光裝置的光學(xué)腔可以包括在出口區(qū)域和第二反射鏡之間的固體間隔物，以形成單片腔。作為示例，這種單片腔可以由saphir整料或玻璃制成。

在優(yōu)選實(shí)施例中，外部腔以中心縱向旋轉(zhuǎn)軸線為中心。

第二反射鏡206可以是基于電介質(zhì)玻璃的反射鏡，或者可以在半導(dǎo)體或蝕刻表面上具有一些光子晶體。它具有幾個(gè)百分點(diǎn)的透射度，以便允許激光束射出激光器。通常，第二外部反射鏡位于離半導(dǎo)體元件幾毫米(通常為1mm)處，并且它具有幾毫米(通常約為10mm)的曲率半徑。在圖2示出的示例中，空氣間隙207將凹形外部反射鏡206與半導(dǎo)體元件200分開。

然后，由于激光二極管(或任何光相干或不相干的源)或者由于電注入，光泵浦(未示出)被用于將電子從低能級(jí)提升到一些更高的激發(fā)能級(jí)。在優(yōu)選實(shí)施例中，光泵浦可以用單個(gè)橫向模式激光二極管代替。作為示例，波長(zhǎng)可以是785nm，并且輸出功率可以是300mw。泵浦激光束被聚焦在半vecsel外表面上，以提供50-100μm光斑尺寸。

為了選擇呈現(xiàn)oam的一個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱橫模，例如在模式集lg0m之一(oam的模|m|≥1)之中的一個(gè)拉蓋爾-高斯(laguerre-gauss)(lg)橫模，用于對(duì)光波進(jìn)行橫向?yàn)V波的至少一個(gè)部件204被引入到光學(xué)腔內(nèi)。在圖2中，它位于半導(dǎo)體元件200的增益出口區(qū)域(即增益反射鏡的頂部)上，但是更一般的方式是，它可以優(yōu)選地位于或鄰近光駐波的波腹。

用于對(duì)光波進(jìn)行橫向?yàn)V波的部件204包括許多類型的用于對(duì)光學(xué)腔內(nèi)的光駐波進(jìn)行空間濾波的部件，例如(i)用于衍射光的部件(例如孔)，(ii)用于漫射光的部件(例如一些粗略刻蝕的半導(dǎo)體表面)以及(iii)用于吸收光的部件(例如金屬掩模)，(iiii)用于產(chǎn)生局部非均勻增益分布的部件。

用于對(duì)光波進(jìn)行橫向?yàn)V波的部件呈現(xiàn)出在圖3中描述的三個(gè)功能化的表面，并且其可以集成到一個(gè)單個(gè)元件上或分布在多個(gè)元件上。

作為示例，中心盤狀區(qū)可以沉積在第一元件上并且位于第一位置處，同時(shí)可以將環(huán)形區(qū)制造到第二元件上并且沉積在激光裝置的第二位置處。

如圖7中示出的，中心盤狀區(qū)702和吸收區(qū)域701都可以經(jīng)由兩個(gè)不同的掩模沉積到第一元件200上，而環(huán)形區(qū)703可以位于第二反射鏡206上。

當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的裝置與多于一個(gè)的元件分離時(shí)，應(yīng)該注意激光波在光學(xué)腔內(nèi)的衍射效應(yīng)：應(yīng)該調(diào)整這些元件的側(cè)向和方位角維度，以便在到達(dá)第二元件之前考慮由第一元件在光上產(chǎn)生的衍射。

在圖2示出的實(shí)現(xiàn)方式中，用于對(duì)光波進(jìn)行橫向?yàn)V波的部件是包括三個(gè)功能化區(qū)域的一個(gè)單個(gè)平坦光子元件的類型。

圖3示出根據(jù)本發(fā)明的強(qiáng)度/相位橫向?yàn)V波元件300的示意圖。它包括具有二維子波長(zhǎng)光柵310的光子晶體，該二維子波長(zhǎng)光柵310由具有直徑(h)的二維孔陣列穿孔的單個(gè)si3n4層制成并且放置在具有間距(a)的正方形網(wǎng)格上。

2d光柵310用作折射率等于基本bloch模式的歸一化傳播常數(shù)的特異材料。因此，能夠通過對(duì)孔直徑(h)的小心控制來控制該特異材料的折射率，其中微小的空氣孔相當(dāng)于具有接近大塊si3n4材料的有效折射率的大的有效折射率的密集人造電介質(zhì)，而大孔區(qū)域?qū)崿F(xiàn)低折射率人造電介質(zhì)。

已經(jīng)設(shè)計(jì)了三個(gè)不同的區(qū)域，用來提供三個(gè)獨(dú)立的功能：

-中心盤狀區(qū)303，其提供在最小相移值和最大相移值之間的高衍射損耗，

-環(huán)形區(qū)302，其位于中心盤狀區(qū)303周圍，并且提供具有低衍射損耗的傳輸中的漸變相位，以及

-增益區(qū)301，其位于環(huán)形區(qū)外部的周邊區(qū)域。

第一個(gè)功能提供高衍射損耗并且與光學(xué)激光腔的縱向軸線對(duì)準(zhǔn)，其通過使用突變相位步進(jìn)來實(shí)施。這種特定的拓?fù)湫?yīng)允許通過將該相位步進(jìn)放在該模式的暗區(qū)中來選擇給定的甜甜圈模式。因此，除了所需的模式之外的所有模式都經(jīng)受高衍射損耗。它還允許通過將腔長(zhǎng)度(進(jìn)而模式尺寸)或高損耗區(qū)域直徑改變?yōu)榫哂休^大暗核心的其它渦流模式來控制渦旋模式的電荷，進(jìn)而控制更高的oam電荷。它是用雙態(tài)光柵實(shí)現(xiàn)的：具有導(dǎo)致最小相位值的一些尺寸特性的第一均勻子區(qū)域402，和具有導(dǎo)致最大相位值的一些其他尺寸特性的第二均勻子區(qū)域401。

將通過圖5描述2d光柵平坦光子元件的尺寸特性。此后，術(shù)語填充因子用于調(diào)整2d光柵的尺寸特性以獲得想要的去相位。

第二個(gè)功能是擾動(dòng)螺旋相位功能，其中設(shè)計(jì)了漸變相位分布302，以便引入繞縱向軸線完整一圈的弱相位差△m2π/100，并且控制軌道角動(dòng)量(oam)的符號(hào)，即螺旋波前旋轉(zhuǎn)305的方向。它通過平滑方位角改變填充因子(由h/a給出)來實(shí)現(xiàn)。為了以良好的精度引入這種弱相位差，將2d光柵層310放在結(jié)構(gòu)中的電場(chǎng)駐波的節(jié)點(diǎn)附近。

第三個(gè)功能是另外的濾波503、701(可見于圖5和圖7)，以防止其他模式通過光學(xué)腔發(fā)射激光。它旨在減小那些模式的幅度，例如通過用吸收、衍射、漫射或局部泵浦來減弱其強(qiáng)度。

在圖3和圖4中，灰度級(jí)示出了使用根據(jù)本發(fā)明的裝置獲得的去相位值。

圖4首先示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的雙相中心區(qū)域303，其次示出沿著平坦光子元件的環(huán)形區(qū)302(以下稱為螺旋相位元件spe)提供的相位梯度。所述去相位在最小值411和最大值412之間擴(kuò)展，并且本發(fā)明的一個(gè)目的是最大值412不會(huì)太大，以免過度擾動(dòng)入射到光學(xué)腔中的光波。更確切地，最大去相位值必須約束到2π弧度的百分之幾。

在圖4描繪的實(shí)現(xiàn)方式中，由螺旋相位元件302提供的去相位從0到2π/100。

環(huán)形相位梯度旨在通過輕微地?cái)_動(dòng)腔本征基礎(chǔ)來控制oam的符號(hào)，并且使激光諧振器更有利于保持螺旋波前的一個(gè)旋轉(zhuǎn)符號(hào)。

確實(shí)，具有更高oam的渦旋光束具有帶有更大的暗核心的更大的空間能量擴(kuò)散。因此，具有與螺旋相位元件(spe)旋轉(zhuǎn)方向相反的旋轉(zhuǎn)方向的螺旋波前的渦旋光束，對(duì)于每次往返都會(huì)略微減小其oam。如前所述，該減小與γxy×δm成比例，其中γxy是光束和螺旋相位元件之間的重疊因子。

這是根據(jù)本發(fā)明的平坦光子元件的基本問題，因?yàn)楣鈱W(xué)能量擴(kuò)散的反射增加了與光學(xué)腔內(nèi)每次往返的spe的重疊，從而增加spe對(duì)光束的影響。進(jìn)而，光束陷入遞歸效應(yīng)并且被強(qiáng)烈擾動(dòng)，因?yàn)殡S著其能量擴(kuò)散并且其暗區(qū)域變窄時(shí)，該模式更多地受到中心盤狀區(qū)中的相位步進(jìn)的影響。

另一方面，具有與螺旋相位元件的旋轉(zhuǎn)方向相似的旋轉(zhuǎn)方向的螺旋波前的渦旋光束，在光學(xué)腔內(nèi)的每次往返都經(jīng)歷其oam的輕微增加，增加其空間擴(kuò)展從而減小與相位元件的重疊。這解釋了為什么可以觀察到反轉(zhuǎn)模式的對(duì)稱性破壞，初始化退化。

圖5示出根據(jù)本發(fā)明制造的平坦光子元件的一些光學(xué)顯微鏡圖像。如前所述，它包括基于通過離子束輔助電子束真空蒸發(fā)沉積在增益鏡上的λ/8厚的si3n4層的2d子波長(zhǎng)光柵。然后，將聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)樹脂旋涂在晶片上，并用電子束光刻進(jìn)行圖案化。在pmma顯影后，通過反應(yīng)離子蝕刻將2d光柵孔轉(zhuǎn)移到sin層，然后去除pmma。

圖5在500中描繪了中心盤狀區(qū)303和將子波長(zhǎng)2d光柵310與兩個(gè)可見的相位功能集成的環(huán)形區(qū)302。兩個(gè)插圖501和502示出繞螺旋相位元件的不同位置的2d光柵：第一插圖501突出顯示與低有效折射率對(duì)應(yīng)的低填充因子，而第二插圖502突出顯示與高有效折射率對(duì)應(yīng)的高填充因子。如圖4中示出的，2d光柵填充因子遵循這兩個(gè)位置之間的平滑梯度，以提供平滑的去相位梯度。使用公知的嚴(yán)格耦合波分析(rcwa)方法來計(jì)算給出期望的有效折射率的填充因子分布。

可以為光柵和孔實(shí)現(xiàn)許多尺寸，以便根據(jù)目標(biāo)lg0m模式的強(qiáng)度分布將其選擇到光學(xué)腔中。通常，但不限于，無論旋轉(zhuǎn)方向如何，螺旋相位元件302可以具有范圍從6微米到10微米的內(nèi)徑506和20微米的外徑507。

2d光柵尺寸特性可以由高斯光束光學(xué)器件定義，并且能夠通過與波前的束腰和曲率半徑相關(guān)的高斯光束參數(shù)計(jì)算。

該高斯光束參數(shù)必須在一次往返之后重復(fù)。

對(duì)于給定的腔長(zhǎng)度，一旦計(jì)算出高斯光束參數(shù)并且確定了輸出鏡206的曲率半徑，就能夠?qū)懗鰈g模式基礎(chǔ)的整個(gè)集合的場(chǎng)分布并且能夠選擇合適的光柵大小以選擇所需模式。例如圖5示意性示出用于9.5mm光學(xué)腔長(zhǎng)度的lg01模式的電場(chǎng)分布505，其具有6微米內(nèi)徑的套印2d光柵螺旋相位元件302。虛線503和504分別示出用這種結(jié)構(gòu)獲得的螺旋模式的甜甜圈形強(qiáng)度分布的內(nèi)徑和外徑。它顯示了空間依賴性和兩個(gè)去相位區(qū)域和螺旋光波的電場(chǎng)的相互作用。

圖6是使用2dccd照像機(jī)測(cè)量的圖像，其示出具有螺旋波前的laguerre-gauss模式的強(qiáng)度分布，并且用根據(jù)本發(fā)明的裝置獲得。

更確切地，圖6描繪了在601-603中通過使用如608和609中示出的左旋或右旋螺旋相位元件，用不同階數(shù)的渦旋模式(601中的lg01，602中的lg02和603中的lg03)獲得的遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度分布。

在圖604-607中示出了根據(jù)本發(fā)明的激光裝置的旋轉(zhuǎn)控制能力的渦旋方向，其中通過將所產(chǎn)生的光束中的每一個(gè)與球形波前參考光束相互作用來測(cè)量干涉圖案。圖像604和605分別示出對(duì)應(yīng)于左旋和右旋的lg01螺旋度的一個(gè)起始的螺旋條紋，其中oam電荷等于1。圖像606和607分別示出對(duì)應(yīng)于左旋和右旋的lg02螺旋度的兩個(gè)起始的螺旋條紋，其中oam電荷等于2。

圖6示出一些充分確定的偏手性的螺旋條紋，其證明所產(chǎn)生的螺旋模式攜帶具有受控電荷和符號(hào)的單個(gè)oam。事實(shí)上，螺旋條紋偏手性對(duì)應(yīng)于oam的符號(hào)，并且從暗中心開始的條紋的數(shù)量對(duì)應(yīng)于oam的電荷。螺旋條紋證明產(chǎn)生的螺旋光束具有明確的單個(gè)軌道角動(dòng)量，眾所周知它是其純度的指標(biāo)。

作為非限制性示例，下面將描述實(shí)現(xiàn)的完整示例，考慮具有以下光學(xué)腔參數(shù)的渦旋激光器：

-腔長(zhǎng)度：lc＝9650μm

-凹面鏡的曲率半徑：rc＝10mm

-光學(xué)腔損耗(輸出耦合器鏡面?zhèn)鬏?：t＝0.5％

-基本模式的束腰：w0＝24μm

為了控制軌道角動(dòng)量的電荷等于1，基本模式和其他高階模式的濾波使用：

-環(huán)形區(qū)(即spe)的直徑為φ＝6.6μm，位于所需模式強(qiáng)度的最大值的3％。

-具有直徑wmax＝42μm的有限泵浦區(qū)域，對(duì)應(yīng)于13％的模式強(qiáng)度的所需模式的束腰。

然后，為了以更魯棒的方式有效地控制軌道角動(dòng)量的符號(hào)，所述頻率分割δv＝c×γ(r,θ)×i²×δm必須大于光學(xué)腔的截止頻率fc＝fsr×t/2π的小數(shù)部分，其中：

-δm是每次往返的螺旋相位元件(例如2π/50)上的總相位差，

-i是oam電荷，

-c＝2.4ghz/rad是由技術(shù)定義的技術(shù)常數(shù)，并通過擬合如圖10中定義的實(shí)驗(yàn)和理論曲線來驅(qū)動(dòng)，其中使用一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果和一些仿真結(jié)果來描述關(guān)于重疊因子的拍頻的演變。

-γ(r,θ)＝f(φ/ω0)是預(yù)先定義的重疊因子，并且依賴于φ/ω0，如圖11示出的，其中示出關(guān)于比率φ/ω0的重疊因子的演變。

-ω0是lg基礎(chǔ)的基本模式的束腰，

fsr是光學(xué)腔的自由光譜范圍。然后，如已經(jīng)公開的，螺旋相位元件必須引起包含在2π·10^-5和2π/5之間的得到的模態(tài)相移。

在該實(shí)施例中，為了實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的渦旋激光器，已經(jīng)選擇以下值：

-δm＝2π/50，

-φ＝50μm，

并且對(duì)于在腔內(nèi)振蕩的lg01模式，給出了模態(tài)相移6·10^-3rad和得到的光學(xué)頻率分割δv＝14.4mhz，而腔截止頻率是fc＝12mhz。

第二實(shí)現(xiàn)方式

如上所述，本發(fā)明還包括用于對(duì)光強(qiáng)度和/或相位分布進(jìn)行成形的部件，以選擇在光學(xué)腔內(nèi)振蕩的光波的多于一個(gè)的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱橫模。圖8描述了特定實(shí)施例的兩個(gè)示例810和820，其中設(shè)計(jì)了用于對(duì)光波進(jìn)行濾波的部件，以便選擇兩個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱橫模。

在第一示例810中，用于對(duì)光波進(jìn)行濾波的部件包括具有五個(gè)功能化區(qū)域的金屬掩模：

-中心區(qū)域8115，其沒有損耗，以便傳輸基本模式，

-第一吸收環(huán)形區(qū)8114，

-相移環(huán)形區(qū)8113，

-傳輸環(huán)形區(qū)8112，其不會(huì)在光波上引起損耗，以及

-吸收周邊區(qū)域8111。

如在強(qiáng)度圖像812和相位圖像813上可見的，該掩模能夠選擇兩種模式：lg0,0和lg0,15。

在第二示例820中，用于對(duì)光波進(jìn)行濾波的部件包括具有七個(gè)功能化區(qū)域的金屬掩模：

-中央吸收區(qū)域8217，

-第一相移環(huán)形區(qū)8216，

-第一傳輸環(huán)形區(qū)8215，其不會(huì)在光波上引起損耗，

這三個(gè)第一區(qū)域使得可以選擇第一旋轉(zhuǎn)對(duì)稱橫模：lg0,-1；

-環(huán)形吸收區(qū)域8214，

-第二相移環(huán)形區(qū)8213，

-第二傳輸環(huán)形區(qū)8212，其不會(huì)在光波上引起損耗，

這三個(gè)第二區(qū)域使得可以選擇另一旋轉(zhuǎn)對(duì)稱橫模：lg0,19；

-吸收周邊區(qū)域8211。

如在強(qiáng)度圖像822和相位圖像823上可見的，該掩模能夠選擇兩種旋轉(zhuǎn)對(duì)稱橫模：lg0,-1和lg0,19。

第三實(shí)現(xiàn)方式

本發(fā)明的另一目的是通過使用至少一個(gè)寬的光學(xué)帶寬光譜濾波器來提供具有多個(gè)頻率的單渦旋激光器。通常，激光線寬可以在任何腔長(zhǎng)度和銳度下達(dá)到增益帶寬的五十分之一到五分之一。因此，為了提供具有給定的頻率差的雙頻——或可選地多頻——單渦旋模式，可以以這樣一種方式選擇增益帶寬和/或?yàn)V波器帶寬：使頻率差包含在增益帶寬的五十分之一到五分之一之間(分別為濾波器帶寬)。

因此，如圖12中所示，根據(jù)第三實(shí)現(xiàn)方式的渦旋激光器可以提供從10ghz至2thz頻率差的雙頻單渦旋激光器和具有低于1thz的增益帶寬的單頻單渦旋激光器。

更確切地，圖12示出用本發(fā)明的第三實(shí)現(xiàn)方式獲得的激光光譜：1201描述具有6thz增益帶寬的三頻渦旋激光器，其頻率差為300ghz；1202描繪具有6thz增益帶寬的雙頻渦旋激光器，其頻率差為240ghz；以及1203代表具有高側(cè)模抑制比的單頻渦旋激光器的激光光譜：增益帶寬低于2thz，頻率差顯著低于其自由光譜范圍。

第四實(shí)現(xiàn)方式

在本發(fā)明的另一實(shí)現(xiàn)方式中，可以經(jīng)由通過原始設(shè)計(jì)圖案化的泵浦激光束來選擇至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱橫模。使用這種特定的和非均勻的泵浦圖案在光學(xué)腔內(nèi)振蕩的光學(xué)激光波上產(chǎn)生一些等同的效應(yīng)。

圖9示出用于選擇光波的至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱橫模的泵浦激光束的強(qiáng)度分布：調(diào)整其形狀以適應(yīng)所尋找的橫向模式的強(qiáng)度分布：圖9所示的泵浦激光束的強(qiáng)度分布如已經(jīng)在圖1中示出的lg0,1的強(qiáng)度分布一樣像“甜甜圈”。

在這種特定的實(shí)現(xiàn)方式中，目的是操作在光學(xué)腔內(nèi)振蕩的光波的"專有放大"。與第一實(shí)現(xiàn)方式相反，其中用于對(duì)光波進(jìn)行濾波的至少一個(gè)部件被用于引起一些特定的損耗，并且其中泵浦在中心區(qū)域中幾乎是均勻的(但是“切割”外周邊區(qū)域)，這個(gè)特定的實(shí)現(xiàn)方式實(shí)施相反的方法：不向光波提供損耗，但是為了產(chǎn)生相同的效果，實(shí)現(xiàn)特定的和非均勻的泵浦。

因此，可以通過任何方式對(duì)泵浦激光束進(jìn)行成形，以產(chǎn)生非均勻泵浦：只有與流暢的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱橫模對(duì)應(yīng)的區(qū)域被泵浦激光束照亮——和放大。

第五實(shí)現(xiàn)方式

在本發(fā)明的另一實(shí)現(xiàn)方式中，可以經(jīng)由主動(dòng)控制裝置來選擇軌道角動(dòng)量的電荷和/或至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱橫模的符號(hào)。

為了實(shí)現(xiàn)這種功能，有必要主動(dòng)地控制光學(xué)腔的縱向光程長(zhǎng)度以調(diào)制oam電荷，和/或主動(dòng)地控制光學(xué)腔的方位角差路徑長(zhǎng)度以調(diào)制oam符號(hào)。

作為非限制性的示例，對(duì)應(yīng)于先前詳細(xì)描述的實(shí)現(xiàn)方式中的任一個(gè)的渦旋激光器可以用至少一個(gè)用于對(duì)光波(更具體地，其中心盤狀和環(huán)形區(qū))進(jìn)行橫向?yàn)V波的部件來實(shí)現(xiàn)，其折射率是可調(diào)制的，或者其光程長(zhǎng)度是可調(diào)制的。

例如，其能夠通過使用內(nèi)腔lcd或用于主動(dòng)調(diào)諧腔的光程長(zhǎng)度和/或其折射率的任何電氣、機(jī)械和/或熱部件來實(shí)現(xiàn)，例如通過使用電光調(diào)制器和/或局部熱源……)。

更確切地，每個(gè)效應(yīng)獨(dú)立于另一個(gè)效應(yīng)，縱向光學(xué)長(zhǎng)度調(diào)制能夠用一些機(jī)械致動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)以改變腔長(zhǎng)度，或者也能夠用一些局部熱源來實(shí)現(xiàn)以縱向地改變折射率；和/或方位角光學(xué)長(zhǎng)度差能夠通過用于修改螺旋相位元件的一些光電裝置來調(diào)制。

因此能夠主動(dòng)地控制渦旋軌道角動(dòng)量，并且能夠通過主動(dòng)改變腔長(zhǎng)度來調(diào)諧電荷，并且能夠通過主動(dòng)改變spe符號(hào)來調(diào)諧其符號(hào)。

第六實(shí)現(xiàn)方式

在圖13所示的本發(fā)明的另一實(shí)現(xiàn)方式中，用于橫向?yàn)V波的部件包括兩個(gè)環(huán)形區(qū)，以使得可以通過調(diào)節(jié)光束腰來簡(jiǎn)單地控制vortex光束的旋轉(zhuǎn)方向。

圖13描述根據(jù)本發(fā)明的裝置的示意性側(cè)視圖(頂部)和俯視圖(底部)，其中兩個(gè)螺旋相位元件被設(shè)計(jì)為控制vortex光束的符號(hào)。

第一元件200用第一spe1302和與第一spe1302同心且位于第一spe1302周圍的第二spe1303來功能化。對(duì)于其中光束腰是“低”的第一構(gòu)造，如通過實(shí)線曲線1304所描繪的，vortex光束可以具有第一旋轉(zhuǎn)方向；而對(duì)于其中光束直徑大于第一構(gòu)造之一的第二構(gòu)造，如通過點(diǎn)曲線1305所描繪的，vortex光束可以具有相反的旋轉(zhuǎn)方向。

可以通過調(diào)節(jié)和控制腔長(zhǎng)度和/或第一反射鏡202和第二反射鏡206的曲率半徑來有利地控制光束腰。