前沿 | 飞秒径向偏振涡旋激光直写Yb:CaF2波导激光器

图1 飞秒径向偏振涡旋激光加工系统图与圆形包层波导端面显微图

1. 导读

近年来，如何在集成光子学芯片中形成微小型、 高功率激光光源的难题一直在困扰科学家们，而波导激光器的出现为其提供了解决方案，与传统的激光光源相比，波导激光得益于其光波导结构的体积小、稳定性高、易于集成等优势，在集成光子学领域有着不可取代的地位。波导激光器是在激光晶体中制备光波导结构，可有效提高谐振腔内光密度，増加泵浦光与激光模式重合度，降低激光振荡所需要的泵浦光功率，实现高效率波导激光输出，因此需要综合考虑激光晶体本身的性质和制备的光波导的性能参数。

近日西安电子科技大学王军利教授团队在Nanophotonics发表最新文章，使用自主研发的重复频率为1 MHz的飞秒径向偏振涡旋激光 在Yb:CaF₂晶体内部制备了低损耗的圆形包层波导，实现了低阈值的连续波导激光输出，并首次使用三元过渡金属硫化物ReS_0.8Se_1.2作为可饱和吸收体实现了调Q脉冲波导激光输出。该研究成果不仅可以与高性能集成光学器件和多功能光子器件兼容，同时也为微型光子集成光路的发展做出了积极贡献。

2. 研究背景

自激光进入飞秒时代以来，其超短脉冲持续时间和超高峰值功率等特性使激光微加工技术发生了革命性的变化，为光学器件的微集成开辟了新的途径。飞秒激光直写技术相对于其他的波导制备技术如离子注入技术、离子交换技术、光刻掩模技术等，由于其加工效率高，可实现三维加工，在光波导器件制备领域具有得天独厚的优势。另外传统的飞秒激光直写技术采用的激光模式为高斯模式，而径向偏振涡旋激光的激光模式为拉盖尔-高斯模式，其经过高数值孔径的聚焦物镜聚焦后，其焦点光场由窄的纵向分量和径向分量组成，其中纵向分量占主导地位。与线偏振光和圆偏振光相比，径向偏振光的纵向分量的强度峰值更清晰、更紧凑。从焦斑大小上反映，径向偏振光的焦斑小于线偏振光和圆偏振光的焦斑，因此更适合于光波导的制备。同时波导激光器作为有源光波导器件，可用于集成光子学领域。与固体激光器相比，波导中较高的光子密度降低了激光振荡的泵浦功率阈值，提高了激光输出的斜效率，且体积小。与多模光纤激光器相比，固体波导激光器结构紧凑，光束发散角小，因此近年来引起了科学家们广泛的研究兴趣。

目前波导激光器已经在各种掺稀土的玻璃和晶体中得到证实，其覆盖的光谱范围很广。1μm波段的掺镱介质具有高吸收、发射截面和低量子缺陷，是激光二极管(LD)泵浦的理想选择。到目前为止，波导激光器已经通过Yb:GdAl₃(BO₃)₄、Yb:KYW、Yb:LuYSiO₅等掺镱晶体进行了实验证明。特别是稀土离子掺氟晶体具有声子能量低、再溶解度高、非辐射跃迁概率低、长寿命亚稳态、红外区透明性好等特点。由于这些独特的物理和化学性质，氟化物在红外光子学领域受到了广泛的关注。其中，Yb:CaF₂晶体具有发射寿命长、导热系数高、非线性折射率低等优点，成为极具竞争力的激光材料。此外，Yb:CaF₂晶体独特的萤石结构结合了氧化物晶体和玻璃的优点，可以有效地减少二极管泵浦体系中的量子缺陷，避免激发态吸收或能量转移等破坏性过程。但目前关于Yb:CaF₂波导激光器的研究较少。因此如何将Yb:CaF₂晶体本身的性质与高性能的光波导结构结合，制备高性能的Yb:CaF₂波导激光器是主要面对的问题。

3. 创新研究

为解决上述问题，研究人员采用自主设计的重频为MHz的飞秒径向偏振涡旋激光直写系统在Yb: CaF₂内部制备圆形包层波导，其加工系统图如图1(a)所示，采用涡旋波片来获得飞秒径向偏振涡旋激光，涡旋波片为是与入射光的偏振状态有关的偏振元件和单波长器件。当入射光束为线偏振时，涡旋波片可以产生偏振涡旋光束。有两种例外情况:如果入射偏振光束的偏振方向平行于涡旋波片的0°快轴，且输出光束为径向偏振，即光束截面各点的偏振方向平行于径向;如果入射偏振光的偏振方向垂直于VR的0°快轴，输出光束为角偏振，即光束截面各点的偏振方向垂直于径向，m阶是拓扑电荷。m值越小，出射光束的中心孔尺寸越小。其示意图如图2所示。

图2 径向偏振涡旋光束产生示意图

随后研究人员在制备的波导的两端搭建腔镜，实现连续波导激光输出。同时研究人员使用三元过渡金属硫化物ReS_0.8Se_1.2作为可饱和吸收体来实现调Q脉冲波导激光输出，其ReS_0.8Se_1.2-PVA薄膜的制备流程如图3所示。其调Q波导激光的结果如图4所示，输出的调Q脉冲具有125~692.5kHz的可调重复频率，最短脉冲持续时间为513 ns。

图3 ReS_0.8Se_1.2可饱和吸收体的制备流程图

图4 调Q脉冲波导激光的结果

4. 应用与展望