使用DATARAY WincamLCM對(duì)拉曼旋渦光束進(jìn)行光斑分析的實(shí)例
渦旋光束具有螺旋相位分布和軌道角動(dòng)量（OAM）的特征，在先進(jìn)的光學(xué)通信、光學(xué)鑷子、高分辨率成像和材料加工等領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。隨著渦旋光束應(yīng)用的不斷推進(jìn)，人們探索了多種渦旋激光生成方法，雖然外部生成技術(shù)通常通過(guò)使用特定光學(xué)元件對(duì)高斯光束進(jìn)行相位調(diào)制來(lái)產(chǎn)生渦旋輸出，但它們往往受到低損傷閾值和不完美制造的限制，從而導(dǎo)致功率輸出降低、光束質(zhì)量下降以及傳輸不穩(wěn)定等問(wèn)題。相反，激光振蕩器內(nèi)部的腔內(nèi)渦旋發(fā)射通過(guò)控制腔模之間的增益和損耗差異來(lái)實(shí)現(xiàn)空心強(qiáng)度分布，從而能夠?qū)崿F(xiàn)高輸出功率、出色的光束質(zhì)量和穩(wěn)定性。然而，這些主要涉及傳統(tǒng)的增益介質(zhì)激光器，由于其吸收和發(fā)射光譜的限制，其波長(zhǎng)擴(kuò)展受到限制。
一階拉曼轉(zhuǎn)換。經(jīng)過(guò)計(jì)算和分析，我們選用了一種涂層材料，其在 1064 nm處具有高反射率，在 1485 nm處具有高透射率，在 1240 納米處具有部分透射率（小于 0.5%）。這種選擇使得輸出耦合強(qiáng)度低于通常在拉曼腔中使用的水平，這是出于對(duì)偏離軸向腔鏡所引入的顯著幾何損耗的考慮；它確保在實(shí)驗(yàn)可行的泵浦功率條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高階拉曼模式生成。當(dāng)獲得了拉曼激光發(fā)射后，通過(guò)一個(gè)濾波器后，使用DATARAY的LCM-1310設(shè)備，監(jiān)測(cè)最大泵浦功率下的輸出模式，同時(shí)將涂層傾斜，如圖 a 所示。在共軸腔結(jié)構(gòu)中，觀察到具有高斯強(qiáng)度分布的拉曼激光輸出，這標(biāo)志著涂層的初始狀態(tài)（0°）。將涂層在水平和垂直平面上旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為 0.117°，光學(xué)腔的進(jìn)一步對(duì)角傾斜導(dǎo)致了 HG1,0 和 HG0,1 模式之間的相互干擾，從而在高斯輪廓的對(duì)角線上產(chǎn)生了四個(gè)對(duì)稱分布的 LG 羅曼模式。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)腔鏡的角度保持不變時(shí)，金剛石的特殊熱性能確保輸出模式不會(huì)隨泵浦功率而變化。如圖 b 所示。很明顯，干涉圖案表現(xiàn)出螺旋相位特征，表明具有左旋和右旋（逆時(shí)針和順時(shí)針）的旋光性。圖 c 展示了使用光譜儀收集的光譜，中心波長(zhǎng)約為 1240 nm，滿足在 1064 納米泵浦條件下金剛石晶體的首階羅曼輸出波長(zhǎng)的要求。
然后，通過(guò)軟件的功能，電控導(dǎo)軌會(huì)自動(dòng)進(jìn)行M²因子的測(cè)量，并在測(cè)量結(jié)束之后進(jìn)行計(jì)算。
受激拉曼散射作為非線性光學(xué)效應(yīng)，是實(shí)現(xiàn)激光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的有效手段�？蓪�(shí)現(xiàn)的激光波長(zhǎng)范圍由泵浦波長(zhǎng)、拉曼頻移以及激光介質(zhì)的光譜傳輸范圍所決定。因此，通過(guò)適當(dāng)選擇泵浦介質(zhì)和拉曼介質(zhì)，任何處于激光介質(zhì)透明度范圍內(nèi)的波長(zhǎng)都能被輸出。金剛石拉曼激光的輸出波長(zhǎng)光譜現(xiàn)已涵蓋從深紫外到可見(jiàn)光、近紅外和中紅外區(qū)域，達(dá)到了千瓦級(jí)的穩(wěn)態(tài)功率水平。這一成果證實(shí)了金剛石拉曼激光器在旋渦光束波長(zhǎng)擴(kuò)展方面的潛力。
本研究采用了一種傳統(tǒng)的駐波金剛石拉曼腔結(jié)構(gòu)，并結(jié)合了離軸腔鏡，直接通過(guò)一階和級(jí)聯(lián)拉曼轉(zhuǎn)換產(chǎn)生了 1.2 微米和 1.5 微米的拉曼旋渦光束，最大輸出功率分別為 42W和 22W。其中檢測(cè)光斑的設(shè)備是DATARAY的LCM-1310設(shè)備。
如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置采用了一臺(tái)重復(fù)頻率為 100 HZ、脈沖寬度約為 170 us的準(zhǔn)連續(xù)波 1064 nm激光作為泵浦源。一個(gè)焦距為 100 mm的聚焦透鏡將泵浦光聚焦在一塊金剛石晶體的中心。同心的金剛石拉曼腔由一個(gè)輸入耦合鏡（IC）、金剛石晶體和一個(gè)輸出耦合鏡（OC）組成。在此，IC 的曲率半徑為 50 mm，其在 1064 nm波長(zhǎng)處具有高透射率涂層，在 1240 nm和 1485 nm波長(zhǎng)處具有高反射率涂層。同樣，OC 的曲率半徑也為 50 mm，其針對(duì)第一和第二斯托克斯輸出具有不同的涂層參數(shù)，后續(xù)內(nèi)容中會(huì)有更詳細(xì)的說(shuō)明。這塊金剛石晶體尺寸為 2×2×7 立方毫米，其在 1064、1240 和 1485 nm波長(zhǎng)處具有高透射率涂層，并位于腔體的中心，該腔體長(zhǎng)度約為 103 mm。聚焦泵浦光和第一和第二斯托克斯光束在金剛石上的腰徑分別為 30、45 和 49 us。在該實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)調(diào)整偏軸透鏡與 x-z 平面以及 y-z 平面之間的角度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉆石內(nèi)部固有腔模的偏軸操控。
一階拉曼轉(zhuǎn)換。經(jīng)過(guò)計(jì)算和分析，我們選用了一種涂層材料，其在 1064 nm處具有高反射率，在 1485 nm處具有高透射率，在 1240 納米處具有部分透射率（小于 0.5%）。這種選擇使得輸出耦合強(qiáng)度低于通常在拉曼腔中使用的水平，這是出于對(duì)偏離軸向腔鏡所引入的顯著幾何損耗的考慮；它確保在實(shí)驗(yàn)可行的泵浦功率條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高階拉曼模式生成。當(dāng)獲得了拉曼激光發(fā)射后，通過(guò)一個(gè)濾波器后，使用DATARAY的LCM-1310設(shè)備，監(jiān)測(cè)最大泵浦功率下的輸出模式，同時(shí)將涂層傾斜，如圖 a 所示。在共軸腔結(jié)構(gòu)中，觀察到具有高斯強(qiáng)度分布的拉曼激光輸出，這標(biāo)志著涂層的初始狀態(tài)（0°）。將涂層在水平和垂直平面上旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為 0.117°，光學(xué)腔的進(jìn)一步對(duì)角傾斜導(dǎo)致了 HG1,0 和 HG0,1 模式之間的相互干擾，從而在高斯輪廓的對(duì)角線上產(chǎn)生了四個(gè)對(duì)稱分布的 LG 羅曼模式。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)腔鏡的角度保持不變時(shí)，金剛石的特殊熱性能確保輸出模式不會(huì)隨泵浦功率而變化。如圖 b 所示。很明顯，干涉圖案表現(xiàn)出螺旋相位特征，表明具有左旋和右旋（逆時(shí)針和順時(shí)針）的旋光性。圖 c 展示了使用光譜儀收集的光譜，中心波長(zhǎng)約為 1240 nm，滿足在 1064 納米泵浦條件下金剛石晶體的首階羅曼輸出波長(zhǎng)的要求。
參考文獻(xiàn)
Chen H, Bai Z, Chen J, Li X, Zhu Z-H, Wang Y, et al. Diamond Raman Vortex Lasers. ACS Photonics 2025; 12(2):864-869.
Dataray推出的LCM系列光束質(zhì)量分析儀尺寸小巧，配置靈活，并且在價(jià)格上具有性價(jià)比。
WinCamD-LCM系列擁有11.3 x 11.3 mm的有效感光區(qū)域、420萬(wàn)像素及5.5 x 5.5 μm的像素尺寸，支持全局快門(mén)的光學(xué)與電子觸發(fā)，刷新率高達(dá)60Hz以上。該系列相機(jī)特別適用于連續(xù)激光與脈沖激光的光束分析，可用波段涵蓋355-1610nm。
4.2MP超高分辨率（2048x2048）能捕捉精細(xì)光斑細(xì)節(jié)，同時(shí)最高60Hz的幀率能滿足大多數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需求，并配置全局快門(mén)，信噪比達(dá)到2500:1。
Dataray的軟件可以讓用戶快速便捷的進(jìn)行光束質(zhì)量因子M²的測(cè)量，將LCM安裝到電控導(dǎo)軌中，并將待測(cè)光束對(duì)準(zhǔn)（切記需要進(jìn)行衰減，否則容易損壞光束質(zhì)量分析儀）。
然后，通過(guò)軟件的功能，電控導(dǎo)軌會(huì)自動(dòng)進(jìn)行M²因子的測(cè)量，并在測(cè)量結(jié)束之后進(jìn)行計(jì)算。
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