Dataray中红外光束质量分析仪对X型折叠腔结构的二极管泵浦陶瓷激光器的光束轮廓及光束质量M²分析

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2025

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本文介绍了一种采用 X 型折叠腔结构的二极管泵浦陶瓷激光器，实现了 2 um腔内矢量涡旋光束的产生。通过采用离轴非共线混合泵浦技术和孔径控制，该激光器直接生成并切换了四种不同偏振的涡旋光束——线偏振、椭圆偏振、反径向偏振和反方位偏振，中心波长为 2050 nm，测量得到的 M2 因子在 2.03 至 2.3 之间，同时保持了高稳定性（最小均方根为 0.47%）、高纯度（最大信噪比为 16.7 分贝）以及典型输出功率高达 242 毫瓦[1]。

Science & Technology

如下图所示，研究团队构建了一个四镜 X 折腔以补偿像散。泵浦源为芯径 105 um、数值孔径 0.22（NA）、波长 793 nm、最大功率 30 w的光纤耦合激光二极管（LD）。泵浦光经两个焦距相同的平凸镜（L1 和 L2，f = 100 毫米）准直并聚焦到增益介质上。增益介质为尺寸为 3 mm×3 mm×5 mm的掺2%Tm 的Y2O3陶瓷，其两个表面均镀有 2000 nm的抗反射（AR）膜。为减少晶体因加热而产生的热破裂，激光晶体被包裹在铜质散热器中，并在 15℃下水冷。激光束的轮廓由WinCamD-IR-BB检测。为了表征不同的偏振模式，在 CCD 前放置了一个旋转精度为 1°的可旋转偏振分束器（RPBS）。输出光谱通过光谱仪进行监测。

图 2(b) 展示了在典型泵浦功率为 10 W 时初始的 LPB 点，其输出功率为 80.8 mW。图 (b1)-(b4) 展示了在 10 W 泵浦功率下，将 RPBS 旋转至不同角度时，具有 15°偏振方向的 LPB 的强度分布。这些分布分别对应于 0.4 mW、52.8 mW、68.2 mW 和 38 mW 的输出功率。图 (d) 展示了在 10 W 泵浦功率下 LPB 的功率稳定性曲线，该曲线每隔 5 秒记录一次，持续 3 分钟。在此期间的平均功率为 86.3 mW，相对波动幅度低至 1.629。LPB 的理论和实验干涉图样均呈现出典型的双叉状条纹。图 2(e) 展示了由 CCD 记录的相应光束模式，LPB 在切向和矢向平面的光束质量因子 M' 分别测量为 2.21 和 2.3，与 LG0，±1 模式的理论值 2 非常吻合，该结果由WinCamD-IR-BB检测。

然而，值得注意的是，对于高阶模式而言，在相同方向上需要更大的总偏转角度。这是因为随着旋转角度的增加，腔体的共振特性会偏离调谐状态，从而导致腔体的衍射损耗增加。高阶横向模式更有可能在谐振腔中振荡，不同激光模式的叠加构成了高阶涡旋阵列。此外，在实验中，还发现了四涡旋阵列以及其他有趣模式。Nd：YAG 和 Tm：Y2O3 都属于立方晶体透明激光陶瓷，这意味着它们在宏观层面上表现出出色的光学各向同性，并且没有固有的双折射。与 Nd：YAG 相似，Tm：Y2O3 中产生矢量涡旋光束的核心机制依赖于热致双折射和泵浦诱导各向异性的协同调节。热致偏振效应源于泵浦引起的热梯度所产生的热应力，这种应力通过弹性光学效应引发偏振主轴分离的连锁反应——这便是矢量偏振光束形成的基础。

综上所述，本文报道了在一种采用 X 倍折叠腔结构的二极管泵浦各向同性 Tm：Y2O3 陶瓷激光器中实现了 2 微米的腔内矢量涡旋图案生成。通过采用离轴非共线混合泵浦技术以及对光孔的控制，展示了能够直接产生并切换四种不同的极化涡旋光束——线偏振、椭圆偏振、反径向偏振和反方位偏振——其中心波长为 2050 nm，并携带 ±1ℏ 的轨道角动量（OAM）。相应的 M2 因子测量值在 2.03 至 2.3 之间，同时保持了高稳定性（最小均方根值为 0.47%）、高纯度（最大信噪比为 16.7 分贝）以及典型的输出功率高达 242 毫瓦。因此，它开创了一种基于中红外波段陶瓷增益介质的新型结构光场操控模式。

参考文献

Kang H, Song X, Miao K, Yao T, Ma J, Qian Z, et al. Intracavity vector vortex pattern generation in a diode-pumped Tm: Y2O3 ceramic laser with X-type folded resonator. Optics Express 2025; 33(21):43579-43590.

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