固态涡旋激光器的研究进展

 

图1 环形泵浦涡旋激光器。环形泵浦光束通过（a）空心镜，（b）结合散焦特性的多模光纤;（c）毛细管光纤;（d）衍射光学器件。

与空心镜相比，光纤在环形泵浦中更常用。2001年，Chen等人证明，当多模光纤耦合二极管激光束通过聚焦透镜时，焦平面处的分布就像一个顶帽分布。然而，远离焦平面，就像一个甜甜圈形状的分布。有了这个属性，纯LG0,1在末端泵浦激光器中，通过散焦标准光纤耦合二极管产生甜甜圈形泵浦，从而产生拓扑荷最高为23的模式。考虑到偏振特性，2015年，Fang等人提出了一种环形泵浦Nd:YAG激光器，该激光器发射径向偏振LG0,1模束 。图1b显示了实验装置的示意图。通过调整透镜L2与多模光纤之间的距离，将泵浦光束整形为环形强度分布，然后，输送到激光腔中。此外，通过稍微倾斜激光器的输出耦合器，可以控制涡旋螺旋度。此外，通过倾斜激光晶体，偏振状态可以从径向偏振切换到方位偏振。

这些方案主要涉及多模光纤与散焦特性相结合。另一种方案涉及应用毛细管光纤将高斯光束直接调制为环形光束。2012年，Kim等人采用低损耗光纤束整形元件（即内部制造的毛细管光纤，中心有一个气孔），将泵浦光束重新格式化为近场环形强度分布光束。这种重新格式化的泵浦光束在空间上与LG0,1的强度分布相匹配减光镜：YAG激光晶体中的模式。因此，高功率LG0,1模式直接从激光谐振器产生，因为它具有最低的阈值，LG0,1， LG0,2和 LG0,3 808 nm的模态分别由同一组获得。此外，基于固态激光技术，研究人员还提出了使用相同泵浦的调Q激光器，如图1c所示。

离轴泵浦可产生涡旋光束，其优点是成本低、易于实现和集成度高。通过控制离轴泵浦，可以改变泵浦的重叠率和不同的模式分布，以产生所需的高阶模式。然后，通过腔外的模式散光转换器，可获得携带轨道角动量的涡旋光束。1996年，Laabs等人在晶体的不同离轴位置通过光纤撞击泵浦光束。当腔内特定模式的泵重叠率达到最高时，增益最高，但损耗最低。因此，可以选择特定的模式。因此，HG0,1到HG0,87产生模式。2008年，Chu等人将离轴泵浦技术与模式转换器相结合，将高阶Hermite-Gaussian光束转换为最大拓扑荷为4的拉盖尔高斯光束，如图2所示。

 

图2 减光器：GdVO4具有离轴泵浦和模式转换器的微芯片激光器。

此后，基于这种方法的一系列固态激光器被提出。2018年，Chen等人采用离轴泵浦法，通过控制晶体的角度使涡旋光束具有更高的增益，因此，选择涡旋光束振荡并直接从腔体输出。研究人员构建了离轴泵浦激光器，实现了通过旋转增益晶体角度得到拓扑荷为1的涡旋光束。同年，Wang等人采用离轴泵浦法，通过调整镜子的角度来控制腔内不同Hermite-Gaussian光束的叠加并直接生成具有双奇点的涡旋光束。2019年，Lin等人提出了一种单片Nd:YAG非平面环形激光器，用于自发产生涡旋光束。通过非平面环形腔涂层表面的离轴泵送方案，研究人员建立了拉盖尔高斯模式激光。2021年，Lin等人建造了一套离轴泵浦Tm:YLF固态激光器，产生了2 μm的高阶涡旋光束。此外，为了获得波通用的光学涡旋光束，Liu等人提出了一种利用双离轴泵浦超宽带Yb:CALCO激光方案的固态涡旋激光器，波长可调宽度超过10 nm。该系统适用于生成可调谐双波长涡旋光束。

斑点缺陷镜方案作为一种损耗操纵方法，在腔内生成高质量、高稳定性的高阶涡旋光束方面具有突出优势。由于高阶横模光束在空间上的膨胀大于低阶横模，因此，尺寸合适的斑点缺陷镜可以抑制高斯模，甚至低阶横模，从而产生所需的高阶横模光束。

 

图3 使用缺陷镜的涡旋激光器。（a）通过激光腔镜蚀刻直接产生高达288阶的高拓扑荷光学涡旋。（b） LD端泵送V型Nd:YVO₄涡旋激光。

将调制设备插入激光谐振器也是产生涡旋光束的有效方法。调制器件包括螺旋相板、声光调制器等。近年来，利用腔内调制器件产生矢量涡旋光束受到广泛关注，使用Q板、超表面和空间光调制器可以获得可调矢量涡旋光束。

数字激光器

数字激光器由S. Ngcobo等人于2013年提出。数字激光器的原理图，如图4a所示。激光由激光二极管泵浦，而Nd:YAG晶体用作增益介质。L形空腔由空间光调制器，布鲁斯特窗口，45°角的高反射率镜，Nd:YAG和输出耦合器组成。这里，仅相位反射空间光调制器用作固态激光器的端镜。它可以将数字全息图显示为像素化的灰度图像，由计算机控制。由于空间光调制器上从白色到黑色的灰度颜色可以图形方式表示完整的相位周期，因此，可以通过加载特定的数字全息图来获得不同位置反射光的不同相位调制。通过这种方式，产生了包括涡旋光束在内的各种模式的结构光束且不需要对空腔进行额外的调整。空间光调制器加载的不同灰度图像及其在数字激光器中输出激光模式的相应激光场，如图4b所示。事实证明，通过实时更改数字全息图，可以通过这种方式生成包括涡旋光束在内的任意激光模式。

 

图4 用于按需激光模式的数字激光器。（a）激光器示意图。（b）灰度图像和相应的激光场。

Q板是由液晶制成的空间变化波片。作为自旋轨道耦合装置，可以插入腔体中产生矢量涡旋光束。最早的研究始于2016年，Naidoo等人设计了一种模式可调矢量涡旋激光器，其中，Q板和四分之一波板被引入腔体。它可以被视为一种几何相位控制方案，而四分之一波板实现偏振操纵，Q板充当自旋角动量-轨道角动量转换器。

 

图5 激光在高阶庞加莱球上生成复杂模式。

因此，具有偏振态和轨道角动量态的输出光束是矢量涡旋光束，通常可以用高阶庞加莱球来描述。庞加莱球面上矢量涡旋光束的经度坐标由Q板和四分之一波板主轴的初始角共同确定，纬度坐标由四分之一波板主轴的初始角共同确定。通过选择Q板的阶数可实现基模高斯光束到涡旋光束的转换，然后，旋转Q板和四分之一波板的主轴角和快轴角来控制矢量涡旋光束的模式。在不改变腔体结构的情况下，通过旋转谐振器中Q板和四分之一波板的主轴角和快轴角，可以灵活调整高阶庞加莱球上矢量涡旋光束的球面位置。

 

图6 在Er:YAG 激光器内同时定制纵向和横向模式。（a）激光器示意图;（b）在通过偏振器前后在单向操作中插入q=1/2（第一行）和q=3/2（第二行）的q板时，通过实验获得的矢量涡旋光束的强度分布;（c） 单向操作中输出的单纵模三阶矢量涡旋光束的扫描光谱。

 

图7 来自可见超表面激光器的高纯度轨道角动量态。（a）设计新的J型板。（b）超表面激光器示意图。

 

图8 （a） Nd:YVO4振荡器。（b）通过增强腔内球面像差选择拉盖尔高斯模式。

另一个特别有趣的方法是应用球差来促进选择具有空心强度分布的腔内模式。为了产生具有纯高阶拉盖尔高斯模式轮廓的高功率激光束，必须确保所需的拉盖尔高斯模式与激光腔内的其他模式很好地区分，可以通过增强所需拉盖尔高斯模式与其相邻模式之间的净增益差来实现。2021年，Sheng等人提出了一种基于增强球差的拉盖尔高斯模式激光器。这种方法的关键是通过腔内模式的扩展在腔内诱导强球差并将其入射到腔内短焦距球面透镜上，如图8b所示。这确保了具有不同光斑尺寸的不同阶横向模式的光路在空间上是分开的。然后，端泵Nd:YVO4实现了提供具有可选性的高阶标量拉盖尔高斯模式输出的激光器。可以从该激光器选择性产生的最高阶空心强度分布拉盖尔高斯模式是LG0,±33.最近，在先前研究的基础上，研究人员进一步研究了球差诱导的腔体损耗对拉盖尔高斯模式选择的影响，主要集中在不同强度的球差引起的影响上。高阶拉盖尔高斯模式可通过使用长焦长球长来降低高阶模式下球差引起的损耗，甚至可以达到±95的角指数。

总之，研究人员总结了固态激光器腔内涡旋束生成的途径和最新进展，特别是矢量涡旋激光器，可直接灵活地生成矢量涡旋光束。首先，研究人员回顾了利用Q板和四分之一波板生成矢量涡旋光束的人眼安全涡旋激光器的最新进展。然而，在腔内生成方面仍然存在许多挑战。例如，环形泵浦光束强度分布在后期需要进一步改进。此外，热透镜效应仅对热效应明显的激光增益介质有效，容易导致输出不稳定和输出功率饱和。此外，涡旋激光器的输出光束仍存在转换效率低、输出功率低、轨道角动量阶数低等明显缺点。未来，仍有许多技术挑战需要面对和解决。