一、背景

　　光子相比電子的之處在于其具有多個(gè)維度，光子的基本維度資源是基于光子技術(shù)的基礎(chǔ)，主要包括波長(zhǎng)/頻率、復(fù)振幅、偏振、時(shí)間和橫向空間維度，如圖1所示。通過(guò)對(duì)光子的橫向空間維度進(jìn)行操控，可以得到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)光，而渦旋光場(chǎng)就是其中一種。渦旋光是一種橫向空間分布的特殊光場(chǎng)，包括相位渦旋光和偏振渦旋光，被廣泛應(yīng)用于天文學(xué)、操縱、顯微鏡、成像、傳感、量子科學(xué)和光通信等領(lǐng)域。

　　圖1 光子的基本物理維度資源

　　目前，渦旋光場(chǎng)的產(chǎn)生技術(shù)主要采用腔外轉(zhuǎn)換法，即通過(guò)在激光諧振腔外放置光學(xué)元件來(lái)實(shí)現(xiàn)高斯光束到渦旋光場(chǎng)的轉(zhuǎn)換。除此之外，通過(guò)激光諧振腔直接輸出渦旋光場(chǎng)的渦旋光激光器也是渦旋光產(chǎn)生的一種方法。渦旋光激光器能避免腔外轉(zhuǎn)換法的部分缺點(diǎn)，如轉(zhuǎn)換效率低、轉(zhuǎn)換之后光斑質(zhì)量差、功率限制、額外增加轉(zhuǎn)換器件等。

　　本文聚焦渦旋光激光器，重點(diǎn)介紹了基于分立元器件的渦旋光激光器、基于光纖的渦旋光激光器以及基于集成器件的渦旋光激光器的研究進(jìn)展，揭示了渦旋光激光器目前存在的問(wèn)題，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

　　二、關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展

　　渦旋光的產(chǎn)生方法按照是否存在增益介質(zhì)可以分為無(wú)源和有源，如圖2所示。其中，無(wú)源方法主要包括衍射光學(xué)元件、變換光學(xué)方法、相位板、基于光纖的器件、光子集成器件和超表面等，有源方法主要是指激光器直接出射渦旋光場(chǎng)，即渦旋光激光器。渦旋光激光器按照產(chǎn)生機(jī)理可以分為腔內(nèi)插入元件法、特殊腔鏡法、環(huán)形光泵浦法等。根據(jù)渦旋光激光器的應(yīng)用場(chǎng)景，本文將其分為基于分立元器件的自由空間渦旋光激光器、基于光纖的渦旋光激光器以及基于集成器件的渦旋光激光器。

　　圖2 渦旋光場(chǎng)的產(chǎn)生方法

　　1、基于分立元器件的渦旋光激光器

　　相較于光纖激光器和集成片上渦旋光激光器，基于分立元器件的渦旋光激光器主要由自由空間中分立的單元光器件組成，輸出激光也是直接在自由空間中產(chǎn)生的，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)。

　　圖3 基于分立元器件的渦旋光激光器

　　2005年，Kozawa等基于腔內(nèi)插入元件法，在Nd:YAG激光器的諧振腔中插入布儒斯特棱鏡，實(shí)現(xiàn)了偏振渦旋光的直接激射輸出，如圖3(a)所示。圖3(c)報(bào)道了一種能夠產(chǎn)生高階龐加萊球所有態(tài)的新型激光器。利用激光腔內(nèi)的Q-plate元件將偏振態(tài)映射到渦旋光場(chǎng)，證明了標(biāo)準(zhǔn)激光腔的渦旋光場(chǎng)的簡(jiǎn)并度可以被破壞，激光腔輸出了高質(zhì)量的渦旋光場(chǎng)，這種方法為在腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)幾何相位控制的新型渦旋光激光器鋪平了道路。圖3(f)報(bào)道了一種在內(nèi)腔插入超表面器件以控制激光器輸出光場(chǎng)的渦旋光激光器。通過(guò)合理設(shè)計(jì)超表面器件，能夠?qū)崿F(xiàn)任意線偏振態(tài)到渦旋光場(chǎng)的映射，實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了最高100階渦旋光場(chǎng)的輸出。相較于插入基于幾何相位的Q-plate的激光器，該激光器能夠同時(shí)輸出差異極大且不對(duì)稱的渦旋光場(chǎng)。

　　華中科技大學(xué)王健教授課題組演示了一種渦旋模式重構(gòu)且波長(zhǎng)可調(diào)諧的渦旋光激光器，其諧振腔包含自由空間部分和光纖部分。在自由空間部分，通過(guò)在激光諧振腔中插入空間光調(diào)制器(SLM)和帶通濾波器(BPF)，實(shí)現(xiàn)了模式選模和波長(zhǎng)選模，最終實(shí)現(xiàn)了階數(shù)為-10~10的渦旋光場(chǎng)重構(gòu)以及整個(gè)C波段的調(diào)諧。

　　圖4 可重構(gòu)可調(diào)諧OAM激光器。(a)概念和原理;(b)實(shí)驗(yàn)裝置

　　圖4展示了可重構(gòu)可調(diào)諧軌道角動(dòng)量(OAM)激光器的原理圖和實(shí)驗(yàn)裝置圖。模式選擇模塊(高斯光-渦旋光-高斯光轉(zhuǎn)換模塊)可以保證腔內(nèi)只激發(fā)單個(gè)渦旋模式，模式轉(zhuǎn)換模塊分為高斯光到渦旋光、渦旋光到高斯光和渦旋光輸出三部分。通過(guò)在SLM上加載不同的相位圖，可以實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)的渦旋光激光器，而可調(diào)諧BPF可以實(shí)現(xiàn)激光器波長(zhǎng)調(diào)諧。

　　2、基于光纖的渦旋光激光器

　　在光通信系統(tǒng)中，光纖激光器相比半導(dǎo)體激光器具有更好的穩(wěn)定性，且光束質(zhì)量更優(yōu)，能更好地兼容光纖通信系統(tǒng)，有效降低系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。光纖激光器是以摻雜光纖作為增益介質(zhì)的激光器，增益光纖的不斷改進(jìn)和發(fā)展使得光纖激光器有了更多的種類，利用不同的摻雜光纖可以實(shí)現(xiàn)不同波段的光纖激光器。

　　圖5 基于光纖的渦旋光激光器

　　圖5(a)所示為一種低閾值渦旋光激光器，通過(guò)在少模光纖上刻寫光纖布拉格光柵(FBG)來(lái)實(shí)現(xiàn)諧振中的模式選擇，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸出模式的切換。少模光纖中刻寫的FBG作為腔鏡存在多個(gè)反射峰，對(duì)應(yīng)諧振腔中不同的振蕩模式。在諧振腔中放置偏振控制器，調(diào)節(jié)腔內(nèi)的偏振狀態(tài)，進(jìn)而調(diào)節(jié)不同模式的損耗，從而控制諧振腔中振蕩的模式和激光器輸出的模式。模式之間的轉(zhuǎn)換也可以用長(zhǎng)周期光柵(LPFG)來(lái)實(shí)現(xiàn)，圖5(b)所示為一種基于LPFG的低閾值偏振渦旋光激光器。圖5(e)展示了一種基于模式耦合器的飛秒鎖模激光器。利用拉錐技術(shù)制備的寬帶模式耦合器件，將基模轉(zhuǎn)換為高階模式，環(huán)形諧振腔中振蕩的基模被這個(gè)器件轉(zhuǎn)換成高階模式，實(shí)現(xiàn)高階渦旋光束的輸出。圖5(f)展示了一種基于環(huán)形光纖的光纖激光器，通過(guò)在環(huán)形光纖上直接刻寫FBG，可以實(shí)現(xiàn)高階模式的直接輸出。

　　王健教授課題組提出了一種線形腔激光器，其諧振腔由光纖上飛秒激光刻寫的FBG和法布里-珀涉儀(FPI)組成，可以實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)高階模式的直接諧振輸出，是波長(zhǎng)可以切換的渦旋光激光器。飛秒激光刻寫FBG具有很高的靈活性和可操作性，對(duì)于絕大部分透明材料，都可以通過(guò)這種方式直寫光柵或光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，因此可以靈活選擇加工材料體系。實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，整個(gè)諧振腔由同一種光纖組成，在環(huán)形摻鉺光纖上刻寫FBG和FPI，利用它們的偏振特性，通過(guò)調(diào)節(jié)兩端的偏振控制器，調(diào)節(jié)諧振腔中不同模式的損耗，實(shí)現(xiàn)諧振腔中的模式選擇和渦旋模式的直接輸出。

　　圖6 可調(diào)諧OAM激光器的實(shí)驗(yàn)裝置圖

3、基于集成器件的渦旋光激光器

圖7 微腔激光器結(jié)構(gòu)示意圖。產(chǎn)生（a）角向和（b）徑向偏振渦旋光的微腔激光器；（c）矢量光激光器的橫截面

　　近年來(lái)，光子集成技術(shù)發(fā)展迅猛，光學(xué)器件的小型化是一種發(fā)展趨勢(shì)。相比集成器件的靈活性、可重構(gòu)、可調(diào)諧特性，傳統(tǒng)分立元件具有很大的局限性。目前，產(chǎn)生渦旋光的集成器件主要是無(wú)源器件，且大部分是基于硅基平臺(tái)的微環(huán)光柵器件。基于此，華中科技大學(xué)王健教授課題組利用InP平臺(tái)的微環(huán)光柵器件，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制備了基于電泵浦的高速直調(diào)偏振渦旋光激光器。

　　圖7給出了分別用于產(chǎn)生角向和徑向偏振渦旋光的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖7(a)所示，微腔頂部刻蝕有光柵結(jié)構(gòu)。如圖7(b)所示，微腔的頂部和側(cè)壁都刻蝕有光柵結(jié)構(gòu)。圖7(c)展示了激光器的主要組成結(jié)構(gòu)，包括襯底、P歐姆接觸層、下包層、有源區(qū)、上包層、頂部光柵、側(cè)面光柵和N歐姆接觸層。

　　三、總結(jié)與展望

　　激光器的出現(xiàn)是現(xiàn)代光學(xué)發(fā)展的一大重要成果，激光不僅揭示了光子的本質(zhì)特性，幫助人們了解微觀世界，還被廣泛應(yīng)用在工業(yè)制造、生物醫(yī)學(xué)、****等領(lǐng)域，推動(dòng)著現(xiàn)代科技的發(fā)展與進(jìn)步。因此，渦旋光束的產(chǎn)生技術(shù)是渦旋光應(yīng)用的基礎(chǔ)，對(duì)拓寬渦旋光的應(yīng)用范圍至關(guān)重要。目前，渦旋光產(chǎn)生主要是通過(guò)腔外轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的，該方法簡(jiǎn)單方便，但是存在一些明顯的局限性，影響渦旋光的應(yīng)用。因此渦旋光激光器具有重要的研究意義。

　　參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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