使用DATARAY WincamLCM對拉曼旋渦光束進行光斑分析的實例

渦旋光束具有螺旋相位分布和軌道角動量（OAM）的特征，在先進的光學(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，人們探索了多種渦旋激光生成方法，雖然外部生成技術(shù)通常通過使用特定光學(xué)元件對高斯光束進行相位調(diào)制來產(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)定等問題。相反，激光振蕩器內(nèi)部的腔內(nèi)渦旋發(fā)射通過控制腔模之間的增益和損耗差異來實現(xiàn)空心強度分布，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，其波長擴展受到限制。

受激拉曼散射作為非線性光學(xué)效應(yīng)，是實現(xiàn)激光波長轉(zhuǎn)換的有效手段�？蓪崿F(xiàn)的激光波長范圍由泵浦波長、拉曼頻移以及激光介質(zhì)的光譜傳輸范圍所決定。因此，通過適當選擇泵浦介質(zhì)和拉曼介質(zhì)，任何處于激光介質(zhì)透明度范圍內(nèi)的波長都能被輸出。金剛石拉曼激光的輸出波長光譜現(xiàn)已涵蓋從深紫外到可見光、近紅外和中紅外區(qū)域，達到了千瓦級的穩(wěn)態(tài)功率水平。這一成果證實了金剛石拉曼激光器在旋渦光束波長擴展方面的潛力。

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，直接通過一階和級聯(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。其中檢測光斑的設(shè)備是DATARAY的LCM-1310設(shè)備。

如圖所示的實驗裝置采用了一臺重復(fù)頻率為 100 HZ、脈沖寬度約為 170 us的準連續(xù)波 1064 nm激光作為泵浦源。一個焦距為 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輸入耦合鏡（IC）、金剛石晶體和一個輸出耦合鏡（OC）組成。在此，IC 的曲率半徑為 50 mm，其在 1064 nm波長處具有高透射率涂層，在 1240 nm和 1485 nm波長處具有高反射率涂層。同樣，OC 的曲率半徑也為 50 mm，其針對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)容中會有更詳細的說明。這塊金剛石晶體尺寸為 2×2×7 立方毫米，其在 1064、1240 和 1485 nm波長處具有高透射率涂層，并位于腔體的中心，該腔體長度約為 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。在該實驗中，通過調(diào)整偏軸透鏡與 x-z 平面以及 y-z 平面之間的角度，實現(xiàn)了對鉆石內(nèi)部固有腔模的偏軸操控。

一階拉曼轉(zhuǎn)換。經(jīng)過計算和分析，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度低于通常在拉曼腔中使用的水平，這是出于對偏離軸向腔鏡所引入的顯著幾何損耗的考慮；它確保在實驗可行的泵浦功率條件下實現(xiàn)穩(wěn)定的高階拉曼模式生成。當獲得了拉曼激光發(fā)射后，通過一個濾波器后，使用DATARAY的LCM-1310設(shè)備，監(jiān)測最大泵浦功率下的輸出模式，同時將涂層傾斜，如圖 a 所示。在共軸腔結(jié)構(gòu)中，觀察到具有高斯強度分布的拉曼激光輸出，這標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)腔的進一步對角傾斜導(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角線上產(chǎn)生了四個對稱分布的 LG 羅曼模式。在實驗中，當腔鏡的角度保持不變時，金剛石的特殊熱性能確保輸出模式不會隨泵浦功率而變化。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（逆時針和順時針）的旋光性。圖 c 展示了使用光譜儀收集的光譜，中心波長約為 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的要求。
一階拉曼轉(zhuǎn)換。經(jīng)過計算和分析，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度低于通常在拉曼腔中使用的水平，這是出于對偏離軸向腔鏡所引入的顯著幾何損耗的考慮；它確保在實驗可行的泵浦功率條件下實現(xiàn)穩(wěn)定的高階拉曼模式生成。當獲得了拉曼激光發(fā)射后，通過一個濾波器后，使用DATARAY的LCM-1310設(shè)備，監(jiān)測最大泵浦功率下的輸出模式，同時將涂層傾斜，如圖 a 所示。在共軸腔結(jié)構(gòu)中，觀察到具有高斯強度分布的拉曼激光輸出，這標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)腔的進一步對角傾斜導(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角線上產(chǎn)生了四個對稱分布的 LG 羅曼模式。在實驗中，當腔鏡的角度保持不變時，金剛石的特殊熱性能確保輸出模式不會隨泵浦功率而變化。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（逆時針和順時針）的旋光性。圖 c 展示了使用光譜儀收集的光譜，中心波長約為 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的要求。

參考文獻

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，并且在價格上具有性價比。

 

WinCamD-LCM系列擁有11.3 x 11.3 mm的有效感光區(qū)域、420萬像素及5.5 x 5.5 μm的像素尺寸，支持全局快門的光學(xué)與電子觸發(fā)，刷新率高達60Hz以上。該系列相機特別適用于連續(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）能捕捉精細光斑細節(jié)，同時最高60Hz的幀率能滿足大多數(shù)實時監(jiān)測需求，并配置全局快門，信噪比達到2500:1。

 

Dataray的軟件可以讓用戶快速便捷的進行光束質(zhì)量因子M²的測量，將LCM安裝到電控導(dǎo)軌中，并將待測光束對準（切記需要進行衰減，否則容易損壞光束質(zhì)量分析儀）。