為慶祝河北工業(yè)大學(xué)校慶120周年，《紅外與激光工程》聯(lián)合河北工業(yè)大學(xué)共同出版“河北工業(yè)大學(xué)校慶?？?，特邀請(qǐng)齊瑤瑤副教授撰寫“可見光波段全固態(tài)渦旋激光腔內(nèi)產(chǎn)生技術(shù)研究進(jìn)展” 文章，綜述了激光腔內(nèi)直接產(chǎn)生可見光波段渦旋光的產(chǎn)生技術(shù)和可見光波段渦旋固態(tài)激光的腔內(nèi)產(chǎn)生技術(shù)，并對(duì)其未來發(fā)展進(jìn)行分析和展望。

導(dǎo)讀

渦旋光由于攜帶軌道角動(dòng)量信息，在天文學(xué)、光學(xué)操控、顯微成像、傳感、量子科學(xué)和光通信等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。特別地，針對(duì)可見光波段渦旋激光，在水下通信領(lǐng)域，渦旋光束可以顯著提高通信容量。此外，在可見激光高分辨成像領(lǐng)域，渦旋光束可大幅度提高成像分辨率。目前，可見光波段渦旋光主要通過無源法和有源法產(chǎn)生。相比腔外轉(zhuǎn)換的無源法，有源法在轉(zhuǎn)換效率、光束質(zhì)量 (模式純度) 以及功率提升方面均具有顯著優(yōu)勢(shì)。本文重點(diǎn)闡述激光腔內(nèi)直接產(chǎn)生可見光波段渦旋光的產(chǎn)生技術(shù)，包括離軸泵浦法、環(huán)形泵浦法、腔內(nèi)球差法等技術(shù)手段。具體綜述可見光波段渦旋固態(tài)激光的腔內(nèi)產(chǎn)生技術(shù)，分別從基于非線性頻率變換的可見光渦旋激光產(chǎn)生技術(shù)、基于分立元器件的LD直接泵浦可見光全固態(tài)渦旋激光產(chǎn)生技術(shù)、基于光纖介質(zhì)的LD直接泵浦可見光全固態(tài)渦旋激光產(chǎn)生技術(shù)方面進(jìn)行介紹，并分析和展望未來技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

研究背景

渦旋光束因攜帶軌道角動(dòng)量信息，并具有螺旋相位等特性，在宏觀量子糾纏測(cè)量、角度遙感、精確空間測(cè)量以及手性等離激元納米噴流激光打印等領(lǐng)域，被視為理想光源。近年來，渦旋光束的產(chǎn)生與調(diào)控給激光技術(shù)注入了新的活力，并帶動(dòng)了新型激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。隨著可見光波段激光光源的快速發(fā)展，可見光波段渦旋激光備受矚目，并廣泛應(yīng)用于激光打印、量子技術(shù)、激光高分辨成像和水下激光通信領(lǐng)域。在激光高分辨成像領(lǐng)域，渦旋光束可顯著提升激光成像分辨率和濾噪效果；水下通信領(lǐng)域受益于藍(lán)綠光波段在水下低吸收的特性，傳輸距離得以提高，同時(shí)，激光光束若攜帶軌道角動(dòng)量，可進(jìn)一步擴(kuò)大通信容量。因此，發(fā)展可見光波段渦旋激光產(chǎn)生技術(shù)，將帶動(dòng)可見光通信、激光高分辨成像等應(yīng)用的快速發(fā)展，具有非常重要的科學(xué)價(jià)值和實(shí)際意義。

圖1可見光波段渦旋激光在高分辨成像和水下通信中的應(yīng)用 通常，可見光波段渦旋光束主要包括拉蓋爾高斯光束、貝塞爾光束、高階橢圓厄米高斯渦旋光束等。產(chǎn)生上述可見光波段渦旋光的方法主要分為腔外轉(zhuǎn)換法和腔內(nèi)直接產(chǎn)生法。腔外轉(zhuǎn)換法通過在激光器外部放置光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)從高斯光束到渦旋光束的轉(zhuǎn)換，包括模式轉(zhuǎn)換器、螺旋相位板、全光纖器件、等離子體超表面等。然而，腔外轉(zhuǎn)換法由于光學(xué)元件的引入導(dǎo)致更大的損耗和誤差，因此，常常面臨光轉(zhuǎn)換效率低、輸出功率降低和光斑質(zhì)量差等問題。為了克服腔外轉(zhuǎn)換法的問題，研究人員開始關(guān)注腔內(nèi)直接產(chǎn)生渦旋光的技術(shù)，此結(jié)構(gòu)激光器具有更好的光束質(zhì)量、更高的輸出功率和更低的成本。目前，主要通過控制腔內(nèi)模式增益與損耗關(guān)系來抑制腔內(nèi)高斯模式振蕩，從而產(chǎn)生不同階次渦旋激光，包括離軸泵浦法、環(huán)形泵浦法、腔內(nèi)球差法、點(diǎn)缺陷鏡等。 為此，文章重點(diǎn)闡述可見光波段全固態(tài)渦旋激光腔內(nèi)產(chǎn)生技術(shù)。首先簡(jiǎn)要介紹可見光波段渦旋激光的應(yīng)用背景和研究意義，以及可見光波段渦旋激光的腔內(nèi)產(chǎn)生方法。接著重點(diǎn)介紹三種關(guān)鍵的可見光波段渦旋激光產(chǎn)生技術(shù)：基于非線性頻率變換獲得可見光波段的渦旋激光產(chǎn)生技術(shù)、基于分立元器件的LD直接泵浦可見光波段全固態(tài)渦旋激光產(chǎn)生技術(shù)以及基于光纖介質(zhì)的LD直接泵浦可見光波段全固態(tài)渦旋激光產(chǎn)生技術(shù)。最后，總結(jié)分析當(dāng)前可見光波段渦旋激光腔內(nèi)產(chǎn)生技術(shù)存在的問題，并對(duì)未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

主要內(nèi)容

近年來，隨著近紅外波段渦旋激光技術(shù)的迅速發(fā)展，通過非線性頻率變換產(chǎn)生可見光波段的渦旋光技術(shù)更為成熟，其輸出功率指標(biāo)和拓?fù)浜蓴?shù)更高，腔外通過螺旋相位板和模式轉(zhuǎn)換器等調(diào)制元件產(chǎn)生渦旋光也更加簡(jiǎn)單可控，但是激光器整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，總體轉(zhuǎn)換效率較低。 隨著高亮度藍(lán)光LD的快速發(fā)展，LD直接泵浦的可見光全固態(tài)激光振蕩輸出成為可能 ，目前用于可見光輸出的激光晶體主要為摻Pr3+晶體、摻Ho3+晶體、摻Dy3+晶體等，其中Pr3+具有多個(gè)激光能級(jí)，可獲得多種可見光波長(zhǎng)的激光輸出，因此摻Pr3+晶體是實(shí)現(xiàn)全固態(tài)可見渦旋光輸出的重要激光介質(zhì)?；诜至⒃骷?LD 直接泵浦可見光全固態(tài)渦旋激光器具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、輸出光場(chǎng)穩(wěn)定、輸出模式數(shù)目多等優(yōu)點(diǎn)，主要途徑包括離軸泵浦、環(huán)形光泵浦、腔內(nèi)球差法等。近年來，國內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)逐漸參與到 LD 直接泵浦的可見光全固態(tài)渦旋激光產(chǎn)生的研究工作中，國內(nèi)單位主要有廈門大學(xué)、天津大學(xué)、南京理工大學(xué)等，國外的主要研究單位包括印度光子科學(xué)實(shí)驗(yàn)室、日本千葉大學(xué)等。

圖2 LD 直接泵浦的可見光全固態(tài)渦旋激光的產(chǎn)生方法 在基于分立元器件的全固態(tài)可見渦旋光產(chǎn)生技術(shù)方面，目前主要通過直接泵浦可見光晶體并設(shè)計(jì)特殊諧振腔結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)渦旋激光直接輸出。主要采用的方法包括離軸泵浦法、環(huán)形泵浦法、球差法等，未來有望通過腔鏡刻蝕點(diǎn)缺陷的方法實(shí)現(xiàn)可見渦旋光的輸出。腔內(nèi)直接輸出渦旋激光憑借著高功率、高光束質(zhì)量和高穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)前渦旋光產(chǎn)生研究的重點(diǎn)關(guān)注方向。然而，可見光波段小的受激發(fā)射截面和低增益仍然是可見光波段激光晶體和激光器所面臨的重要挑戰(zhàn)，在渦旋光輸出方面，仍存在輸出渦旋光束階次低和階次不可控、效率低等問題。 針對(duì)基于光纖介質(zhì)的可見渦旋光腔內(nèi)產(chǎn)生技術(shù)，主要研究工作集中于可見光波段脈沖渦旋光纖激光產(chǎn)生技術(shù)，國內(nèi)研究單位主要包括廈門大學(xué)、清華大學(xué)、北京理工大學(xué)、上海大學(xué)、天津大學(xué)等。主要采用纖芯偏移 (錯(cuò)位熔接)、引入長(zhǎng)周期光纖光柵、手性光纖光柵、或模式選擇耦合器等渦旋光產(chǎn)生手段結(jié)合傳統(tǒng)可見光Q調(diào)制或鎖模技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，或采用離軸泵浦結(jié)合新型可見光波段可飽和吸收體來實(shí)現(xiàn)。相較于全固態(tài)激光器，光纖渦旋激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、鎖模穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，適應(yīng)性廣泛，能夠滿足集成和便攜應(yīng)用的需求。然而，光纖渦旋激光器仍需克服光纖模式串?dāng)_和輸出功率較低的挑戰(zhàn)。未來的研究將繼續(xù)探索新的光纖設(shè)計(jì)和優(yōu)化技術(shù)，以提高可見光波段光纖渦旋激光器的性能和穩(wěn)定性，進(jìn)一步推動(dòng)其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖3 光纖激光中渦旋光產(chǎn)生方法示意圖

結(jié)論與展望

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代下水下通信、激光高分辨成像等領(lǐng)域?qū)梢姽獠ǘ螠u旋激光提出的高應(yīng)用需求，開展可見光波段渦旋光腔內(nèi)產(chǎn)生技術(shù)的研究具有重要意義。文中從上述三種技術(shù)途徑綜述了可見光波段渦旋激光研究進(jìn)展?？偟膩碚f，盡管頻率變換是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)可見渦旋激光的主要技術(shù)途徑，但隨著高亮度藍(lán)光LD和可見光波段激光增益介質(zhì)的快速發(fā)展，基于分立元器件的固體和和光纖可見光全固態(tài)渦旋光產(chǎn)生技術(shù)也逐漸發(fā)展為新型激光技術(shù)，并在連續(xù)波、被動(dòng)調(diào)Q和被動(dòng)鎖模等運(yùn)轉(zhuǎn)方式上均取得了顯著的進(jìn)步。然而，相比于成熟的近紅外波段渦旋光而言，通過LD直接泵浦的固體/光纖的可見光全固態(tài)渦旋激光仍然有一些問題亟待解決，例如在更高輸出功率、更高單脈沖能量、更短脈沖寬度、更高拓?fù)浜蓴?shù)、更寬波長(zhǎng)調(diào)諧范圍等方面仍有很多的工作要做。 當(dāng)前，基于藍(lán)光LD直接泵浦的可見光波段全固態(tài)連續(xù)渦旋激光最高功率水平仍在W量級(jí)以下；通過離軸泵浦技術(shù)所獲得的可見光波段渦旋激光階次仍然很低且不可控；點(diǎn)缺陷技術(shù)目前仍未在可見光波段獲得應(yīng)用；針對(duì)大能量調(diào)Q可見光渦旋激光而言，有必要深入研究可飽和吸收體的性能，以獲得更短的脈沖和更高的單脈沖能量；同時(shí)針對(duì)超快渦旋可見激光而言，需進(jìn)一步挖掘新型鎖模機(jī)制和高調(diào)制深度鎖模元件，探索縱模鎖定的同時(shí)，研究空間域上高階橫模激發(fā)與橫模競(jìng)爭(zhēng)及復(fù)用機(jī)制，從而為飛秒超快渦旋可見激光光源研制提供新的思路；在可見光波長(zhǎng)拓展方面，藍(lán)光LD直接泵浦的可見光全固態(tài)激光其中心波長(zhǎng)主要集中于紅光、橙光、青光、綠光等分立激光波長(zhǎng)，且未完全實(shí)現(xiàn)上述波段的渦旋激射，因此可進(jìn)一步挖掘新的高增益寬帶可見光激光材料或結(jié)合拉曼變換等非線性過程以實(shí)現(xiàn)全波段可見光的寬調(diào)諧運(yùn)轉(zhuǎn)?？偠灾?，為了提升可見光波段渦旋激光的輸出性能，未來仍需從半導(dǎo)體激光泵浦源、激光諧振腔調(diào)控、激光增益介質(zhì)、可飽和吸收體、渦旋光調(diào)控技術(shù)等多方面進(jìn)行優(yōu)化、改進(jìn)和提高，從而支撐可見光波段激光高分辨成像、可見光通信等應(yīng)用，甚至有望開拓出前所未有的新應(yīng)用。

作者介紹

齊瑤瑤，河北工業(yè)大學(xué)副教授，博士生導(dǎo)師，主要從事高功率固體激光技術(shù)、光纖激光技術(shù)和非線性光學(xué)等領(lǐng)域的研究工作。作為負(fù)責(zé)人主持國家自然科學(xué)基金、國家博士后面上基金、河北省自然科學(xué)基金面上/青年基金、河北省教育廳基金、軍工橫向項(xiàng)目等多項(xiàng)課題。近年內(nèi)累計(jì)發(fā)表SCI論文80余篇，其中以第一作者或通訊作者身份在Materials Today Physics、IEEE JSTQE等學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI論文20余篇（一篇入選ESI高被引論文），授權(quán)專利20余項(xiàng)。擔(dān)任Photonics等SCI期刊的專題客座主編。

呂志偉，“長(zhǎng)江學(xué)者”特聘教授，河北工業(yè)大學(xué)學(xué)術(shù)委員會(huì)主任，先進(jìn)激光技術(shù)研究中心主任?，F(xiàn)擔(dān)任中國光學(xué)學(xué)會(huì)激光專業(yè)委員會(huì)副主任、中國電子學(xué)會(huì)工業(yè)工程分會(huì)副主任、國家自然科學(xué)基金委員會(huì)評(píng)審專家、中國工程教育電子信息與電氣工程類專業(yè)認(rèn)證委員會(huì)副主任，國防科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶頭人、教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶頭人。主要從事高功率固體激光技術(shù)、非線性光學(xué)和激光光譜技術(shù)等領(lǐng)域的科研工作。主持國家重大專項(xiàng)項(xiàng)目、國家重大科技工程項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目和重大儀器專項(xiàng)等科研項(xiàng)目50余項(xiàng)。獲得軍隊(duì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、黑龍江省自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、航天工業(yè)總公司科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)等科技獎(jiǎng)勵(lì)。發(fā)表學(xué)術(shù)論文400余篇，授權(quán)發(fā)明專利30余項(xiàng)。

審核編輯：彭菁