深圳大学 | “自适应波前整形”助力低相干、高均匀完美涡旋激光产生
自适应光学系统是一种基于反馈控制技术的高级光学系统，其主要用途：通过实时监测光学信号并动态调整相应光学元件以补偿外部扰动或系统误差，最终实现系统光学性能的优化提升。自适应光学系统的设计灵感源于补偿大气湍流对天文观测和激光传输的不良影响，现已被广泛应用于天文学、激光通信、医学成像等领域。
自适应光学系统的核心部件包括传感器、控制算法和补偿装置。传感器负责实时监测光学系统的性能（如光强分布、像差、相位畸变等），然后将其传递给控制算法。控制算法分析传感器的反馈数据并生成相应补偿信号。最后，补偿装置（如空间光调制器）根据控制算法生成的补偿信号来动态调整光学元件参数（如形状或相位），以消除或减弱外部扰动、系统缺陷引起的光学失真，从而获得更高质量的光学性能。
近日，深圳大学范滇元院士团队基于光纤随机激光（random fiber laser, RFL）和数字微镜器件（digital micromirror device, DMD）超像素波前整形技术实现了拓扑荷高达140的低相干完美涡旋光束（perfect vortex beam, PVB）；同时，提出一种全局自适应反馈算法（globally adaptive feedback algorithm, GAFA）的波前整形，有效抑制空间强度波动，实现了光束光强对比度大幅降低的平顶PVB。基于GAFA波前整形的平顶PVB产生可为高强度涡旋光束提供优质种子光源，在惯性约束核聚变激光驱动源、激光加工、光通信和光捕获及操控等领域具有潜在应用价值。
图2 基于 GAFA波前整形调制的强度分布演变。(a) 未调制时的强度分布。(b-e) 迭代次数分别为 2、5、15、30 时的实时强度分布
平顶PVB生成与表征实验装置如图1所示。主要包含三部分：RFL光源、基于DMD超像素波前整形的涡旋激光产生单元及用于涡旋相位检测的马赫-曾德尔干涉仪（Mach–Zehnder interferometer, MZI）。RFL光源具有低相干性、低相对强度噪声、结构简单、波长灵活可调等优势。此外，相较于传统液晶空间光调制器，基于DMD的波前整形具有高刷新率、偏振无关、耐受高功率、波长窗口宽等优势，有利于对无偏、低相干的激光进行实时光束整形。图2给出了以拓扑荷1, 20, 50和100为例，基于GAFA波前整形实现平顶PVB输出的结果。随着反馈迭代次数的增加，图2（a）中的原始空间光强分布逐渐平坦且其内环区域的强度受到强烈抑制。当迭代次数达到 30 次时，四种 PVB的光强分布均匀性均有明显改善但不影响其他环形参数（如环半径、环宽度和锐度），表明该方法具有很好的鲁棒性。
图3 平顶PVB演化特性；(a) 光束光强对比度、平均强度随迭代次数的演化关系；(b) 光束中心横截面强度曲线随迭代次数的演化；(c) 整形后平顶光束的干涉图
图3给出了基于GAFA波前整形生成的平顶PVB的演化特性。其中，图3（a）给出了光束光强对比度和平均强度随迭代次数的演化关系，对于拓扑荷为1的PVB光束，光强对比度可低至0.0809，而拓扑荷为100的PVB光束，光强对比度最低为0.1253。图3（b）给出了原始光束和经5次、45次、50次反馈后的光束中心截面光强曲线的演化。内环强度在反馈调制下受到强烈抑制，而外环区域强度保持相对稳定，由此实现了整体光强的平均化。图3（c）给出了整形后平顶PVB的干涉图，证明了在强度整形后，PVB光束仍保持对应拓扑荷的螺旋相位特征。
本论文实现的平顶完美涡旋激光具有低相干性、高均匀性以及高光束质量，可作为后续激光放大级的优良种子激光实现有效放大，最终获得高强度超高阶涡旋激光输出。高强度超高阶涡旋激光在惯性约束聚变、激光加工、粒子操控等领域中具有重要应用价值。
