蓝光泵浦Pr3+：YLF激光器的高阶横模调控及涡旋光束产生机理研究.pdf
摘要
摘要
随着结构光束的发展，可见涡旋光在光学捕获、激光加工等领域展现出特殊的应
用。同时，因在可见光波段具有丰富的能级谱线，Pr3+:YLF晶体在可见激光器领域
受到了广泛关注。目前，Pr3+:YLF激光器中产生涡旋光束的方式通常有离轴、倾斜
失调和环形泵浦，其具有紧凑和高光束质量的优点。然而，输出的涡旋光束通常仅有
±1的轨道角动量(OAM)并且模式单一。针对上述问题，本文基于Pr3+:YLF固体激
光器产生可见涡旋光进行了理论仿真与实验探究。主要研究内容如下：
(1)研究了高阶横模的模式转换理论，通过级联柱透镜组可以将厄米特高斯(HG)
转换为涡旋光束。首先通过在谐振腔内激发产生高阶HG，然后通过腔外的模式转换
法将输出的HG模式转换为涡旋光束。同时，基于模式叠加理论，分析了谐振腔内单
个HG模式的功率阈值情况。为后续基于倾斜失调的Pr3+:YLF激光器的研究提供了理
论基础。
(2)基于琼斯矩阵理论和特征向量法，构建了用以求解谐振腔内所有可能存在的
高阶横模的物理模型。用以求解在不同倾斜失调量时的腔内模式特性。并引入了模式
有效面积系数η和模式竞争因子σ的概念，用来判断腔内各模式的竞争能力。通过调
s
节谐振腔的失调量以及腔长等参数，达到对高阶横模调控与筛选的目的，实现了特定
阶数HG模式的可控输出。研究结果表明，在谐振腔参数不变的情况下，通过调节输
出耦合镜的俯仰，可以实现0到14阶HG模式的可控输出，例如，在倾斜量为0.8
mrad和0.9mrad时分别实现了HG03和HG04模输出。为下文搭建基于倾斜失调的Pr3+:
YLF激光器实验系统提供了技术指导。
(3)搭建了基于倾斜失调的Pr3+:YLF固体激光器实验装置，并实验研究了不同倾
斜失调量下谐振腔的模式输出特性。研究结果表明，在输出模式为TEM00模时，当输
出镜透过率分别为3.5%和5%时，在638.81nm和638.61nm处分别获得了774mW和
224mW的最大功率输出，斜效率分别为11.94%和5.25%，以此可以筛选出最佳透过
率的输出耦合镜。随后通过对倾斜失调量的定量调节，实现了1到14阶HG模式的可
控输出，再利用模式转换器得到了对应的LG模式，从而实现OAM可控切换的涡旋
光束输出。结果表明，在7.46W的最大吸收功率下，实现了最大功率分别为740mW、
484mW和263mW的1、2和3阶涡旋光束输出，斜效率依次为11.64%、8.01%和
6.05%。
关键词Pr3+:YLF；涡旋光束；固体激光器；轨道角动量
I
江苏科技大学电子信息硕士学位论文
目录
摘要I
AbstractII
目录IV
ContentsVI
第1章绪论1
1.1研究背景及意义1
3+
1.2Pr:YLF激光器介绍2
3+
1.2.1Pr能级简介2
3+
1.2.2Pr:YLF激光器3
3+
1.3Pr:YLF涡旋激光器研究进展8
1.4论文主要研究内容12
第2章涡旋光束及高阶横模调控的基本理论13
2.1涡旋光束产生及检测方法研究13
2.1.1涡旋光束的产生方式13
2.1.2涡旋光束的检测方法17
2.2高阶横模产生理论22
2.2.1模式叠加理论22