編者按

《中國(guó)激光》于2020年第5期出版“紀(jì)念激光器發(fā)明60周年”專題。《中國(guó)激光》編委、清華大學(xué)精密儀器系柳強(qiáng)教授受邀撰寫(xiě)《復(fù)雜渦旋結(jié)構(gòu)光場(chǎng)的產(chǎn)生方法》長(zhǎng)篇綜述論文。本文從腔內(nèi)直接激發(fā)與腔外調(diào)制產(chǎn)生兩個(gè)方面，綜述了近年來(lái)復(fù)雜渦旋結(jié)構(gòu)光場(chǎng)產(chǎn)生方法的重要進(jìn)展，分析了各類方法優(yōu)缺點(diǎn)，展望了未來(lái)發(fā)展方向。

背景介紹

渦旋光是一種攜帶軌道角動(dòng)量、相位面呈螺旋狀分布的新型結(jié)構(gòu)光場(chǎng)，在量子糾纏、量子通信、光學(xué)微操控、3D光束整形和微納光機(jī)械驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用。相比傳統(tǒng)單奇點(diǎn)渦旋光，復(fù)雜渦旋光具有更復(fù)雜的相位結(jié)構(gòu)、OAM和偏振分布光場(chǎng)，例如厄米-拉蓋爾高斯模式、渦旋恩斯-高斯模式、SU(2)幾何模、分?jǐn)?shù)階OAM模式以及自旋-軌道角動(dòng)量耦合的矢量渦旋光束等。隨著光場(chǎng)相位奇點(diǎn)和軌道角動(dòng)量(OAM)操控技術(shù)的發(fā)展，探索新型結(jié)構(gòu)光場(chǎng)已成為研究的重要部分。

關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展

01

腔內(nèi)直接激發(fā)結(jié)構(gòu)光場(chǎng)

1) 基于離軸泵浦和像散轉(zhuǎn)換產(chǎn)生渦旋結(jié)構(gòu)光場(chǎng)我們課題組通過(guò)對(duì)泵浦的離軸控制來(lái)改變泵浦和不同模式分布的重疊率，從而控制增益損耗，產(chǎn)生所需的高階模式，而后經(jīng)過(guò)腔外的模式像散轉(zhuǎn)換器得到帶軌道角動(dòng)量的光場(chǎng)，如拉蓋爾-高斯模式(LG)的光場(chǎng)、厄米-拉蓋爾-高斯模式的光場(chǎng)和SU(2)幾何模式，如圖1(a)所示。臺(tái)灣交通大學(xué)Chen課題組基于此方法得到了三維李薩如光場(chǎng)，如圖1(b)所示。該課題組在橫縱模鎖定的狀態(tài)下，在菲涅耳數(shù)更大的激光系統(tǒng)中得到了余擺線光場(chǎng)，以及自發(fā)橫向鎖模的穩(wěn)定渦旋晶格模式，如圖1(c)所示。

圖1 幾種典型的復(fù)雜渦旋結(jié)構(gòu)光場(chǎng)。(a)SU(2)幾何模光場(chǎng)相位控制；(b) 李薩如光場(chǎng)及其傳輸；(c) 余擺線光場(chǎng)及其傳輸

2) 基于腔內(nèi)調(diào)制器件產(chǎn)生渦旋結(jié)構(gòu)光為了在腔內(nèi)獲得渦旋結(jié)構(gòu)光，研究人員初期在諧振腔內(nèi)插入金屬細(xì)絲，獲得高純度的一階厄米-高斯光束，此后將各種調(diào)制器件插入諧振腔內(nèi)，例如螺旋相位板、光闌、聲光調(diào)制器、液晶q平板和液晶空間光調(diào)制器等。南非CSIR國(guó)家激光中心Naidoo所在課題組通過(guò)調(diào)控腔內(nèi)q平板和1/4波片的角度實(shí)現(xiàn)了整個(gè)高階龐加萊球上光束的產(chǎn)生，以及光子自旋和軌道角動(dòng)量間的可控轉(zhuǎn)換。南非KwaZulu-Natal大學(xué)Ngcobo所在課題組利用空間光調(diào)制器，通過(guò)灰度圖像控制相位和振幅,實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)固態(tài)激光諧振腔模式的實(shí)時(shí)切換。廈門(mén)華僑大學(xué)Liu所在課題組利用空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)了V型折疊數(shù)字激光器，結(jié)合腔外π/2像散模式轉(zhuǎn)換器，可以實(shí)現(xiàn)拓?fù)浜蔀?11~12的渦旋光束。3) 基于泵浦整形產(chǎn)生渦旋結(jié)構(gòu)光用空間調(diào)制器件改變泵浦光束在晶體內(nèi)的橫向分布可控制晶體內(nèi)增益的空間分布，實(shí)現(xiàn)諧振腔輸出特定本征模式的控制。德國(guó)威斯特伐利亞威廉斯大學(xué)Schepers所在課題組和廈門(mén)大學(xué)Chen所在課題組分別提出了環(huán)形光纖泵浦和數(shù)字微鏡陣列(DMD)空間增益整形兩種實(shí)驗(yàn)方案，前者通過(guò)控制泵浦光的環(huán)形光斑直徑實(shí)現(xiàn)了0~14階矢量渦旋光束的輸出，后者通過(guò)DMD對(duì)泵浦光束整形，實(shí)現(xiàn)了超過(guò)1000種高純度厄米-高斯模的輸出。

02

腔外調(diào)制產(chǎn)生渦旋結(jié)構(gòu)光場(chǎng)

1) 基于腔外液晶調(diào)制器件產(chǎn)生渦旋結(jié)構(gòu)光在腔外使用空間光調(diào)制器可以更加靈活地?cái)?shù)字化定制標(biāo)量結(jié)構(gòu)光，主要分為兩類技術(shù)：在衍射零階構(gòu)造目標(biāo)光場(chǎng)，即雙相位全息法(DPH)；在衍射高階構(gòu)造目標(biāo)光場(chǎng)，即計(jì)算全息法(CGH)。如圖2所示，前者通過(guò)減小相位步長(zhǎng)來(lái)降低空間光調(diào)制器的空間衍射效率，而后者則通過(guò)加入高空間頻率光柵，增加一階衍射。此外，對(duì)不同的模式疊加不同方向的閃耀光柵生成復(fù)用模板，采用復(fù)用模板可以使各個(gè)模式向不同的方向衍射，產(chǎn)生多光束定制的效果，南非金山大學(xué)Rosales-Guzmán所在課題組實(shí)現(xiàn)了多達(dá)200個(gè)空間模式的復(fù)用。

圖2 CGH方法定制光場(chǎng)模式。(a) 多種定制結(jié)構(gòu)光場(chǎng)；(b) 單空間光調(diào)制器調(diào)制200個(gè)空間模式復(fù)用輸出

2) 基于腔外模式疊加產(chǎn)生渦旋結(jié)構(gòu)光矢量光束可以通過(guò)模式疊加產(chǎn)生。其主要思路是使用空間光調(diào)制器結(jié)合腔外的偏振控制和模式疊加技術(shù)得到數(shù)字化可控矢量光束。臺(tái)灣師范大學(xué)Lu所在課題組利用空間光調(diào)制器產(chǎn)生了多拉蓋爾-高斯模疊加光束，然后對(duì)該光束進(jìn)行腔外偏振控制和疊加產(chǎn)生花瓣形高階龐加萊矢量結(jié)構(gòu)光束。南非金山大學(xué)Rosales-Guzmán所在課題組利用空間光調(diào)制器空間多通道復(fù)用技術(shù)和模式疊加技術(shù)獲得了多渦旋光束，同時(shí)產(chǎn)生了16個(gè)不同偏振分布和空間形狀的矢量渦旋光束，如圖3所示。圖3 腔外模式疊加和多通道復(fù)用技術(shù)同時(shí)產(chǎn)生多矢量結(jié)構(gòu)光束。(a) 實(shí)驗(yàn)裝置；(b) 原理示意圖；(c) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果3) 基于超構(gòu)表面渦旋結(jié)構(gòu)光的產(chǎn)生超構(gòu)表面是由一系列幾何結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的光學(xué)散射體組成的陣列，可在微納尺度上對(duì)光的相位、偏振以及傳輸方向進(jìn)行靈活的控制。香港浸會(huì)大學(xué)Li所在課題組利用幾何相位元件構(gòu)建的超構(gòu)表面將自旋角動(dòng)量轉(zhuǎn)化成軌道角動(dòng)量，并在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了兩個(gè)自旋之間的橫向角分裂，實(shí)現(xiàn)了自旋霍爾效應(yīng)的直接觀測(cè)。中國(guó)科學(xué)院光電子學(xué)研究所Ma所在課題組利用超構(gòu)表面將圓偏振光轉(zhuǎn)換為渦旋光，并實(shí)現(xiàn)了該渦旋光到單個(gè)點(diǎn)的聚焦，如圖4(a)所示。哈佛大學(xué)Devlin所在課題組產(chǎn)生了分?jǐn)?shù)和整數(shù)階拓?fù)浜蓴?shù)的渦旋光束，首次實(shí)現(xiàn)了任意軌道角動(dòng)量的多個(gè)共線渦旋光束的同時(shí)產(chǎn)生，此外還將左旋和右旋圓偏振光轉(zhuǎn)換為攜帶獨(dú)立軌道角動(dòng)量的渦旋光，如圖4(b)所示。另外，中國(guó)科學(xué)院光電子學(xué)研究所Li所在課題組實(shí)現(xiàn)了多波長(zhǎng)、不同拓?fù)浜蓴?shù)、多偏振的復(fù)用與解復(fù)用。深圳大學(xué)Xie所在課題組利用反向設(shè)計(jì)的概念設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)緊湊的高效垂直軌道角動(dòng)量發(fā)生器，其模式純度約為97%。圖4 超構(gòu)表面產(chǎn)生渦旋光。(a)六邊形單元超構(gòu)表面；(b)圓偏振光向兩束任意軌道角動(dòng)量光束的轉(zhuǎn)換

總結(jié)與展望

研究人員探索的六種方法各有千秋：腔內(nèi)離軸泵浦加腔外像散轉(zhuǎn)換的方法操作簡(jiǎn)單，成本低，且具有可調(diào)控性，可用于集成，但受限于腔內(nèi)振蕩模式，不能實(shí)現(xiàn)模式的隨意定制，激發(fā)的模式有限。在腔內(nèi)使用調(diào)制元件進(jìn)行調(diào)制的方法雖然可以通過(guò)改變調(diào)制元件來(lái)調(diào)制光場(chǎng)，但成本高，且不可任意調(diào)控。利用腔內(nèi)泵浦整形的方法可以通過(guò)設(shè)計(jì)泵浦得到特定的輸出結(jié)構(gòu)光，但對(duì)泵浦光整形要求較高，可集成度較低。在腔外利用空間光調(diào)制器的方法可以定制不同的結(jié)構(gòu)光，靈活性高，但不利于集成，成本較高。利用腔外模式疊加的方法可產(chǎn)生的模式豐富，靈活性較高，且在矢量光的產(chǎn)生方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，但對(duì)實(shí)驗(yàn)調(diào)整的要求較高，同時(shí)可集成度較低。基于腔外等離子體超構(gòu)表面產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光是近幾年興起的一個(gè)研究方向，可集成度高，可變性高，對(duì)光子角動(dòng)量的物理研究豐富，對(duì)光通信領(lǐng)域的發(fā)展和推動(dòng)具有巨大潛力，但設(shè)計(jì)復(fù)雜，制作成本高。另外，對(duì)渦旋結(jié)構(gòu)光時(shí)域、頻域、空域等方面參數(shù)的拓展，仍具有非常廣闊的研究空間：在空域參數(shù)方面，對(duì)于維度更高、結(jié)構(gòu)更為豐富的模式的產(chǎn)生，以及具有更高實(shí)用性的產(chǎn)生裝置的設(shè)計(jì)，仍需開(kāi)展進(jìn)一步的理論與實(shí)驗(yàn)研究。在時(shí)域與頻域參數(shù)方面，未來(lái)重要的發(fā)展方向包括：利用調(diào)Q及鎖模技術(shù)產(chǎn)生高峰值功率渦旋結(jié)構(gòu)光輸出，利用放大技術(shù)產(chǎn)生高平均功率渦旋結(jié)構(gòu)光輸出，進(jìn)而利用非線性變換實(shí)現(xiàn)渦旋結(jié)構(gòu)光軌道角動(dòng)量以及光譜拓展等。

課題組介紹

清華大學(xué)先進(jìn)激光技術(shù)科研團(tuán)隊(duì)近二十年來(lái)，面向我國(guó)光電裝備和重大基礎(chǔ)科學(xué)研究的需求，開(kāi)展高功率光纖激光、高能固體激光、光子關(guān)聯(lián)探測(cè)、自適應(yīng)光學(xué)、超快激光以及新型光場(chǎng)調(diào)控技術(shù)研究。依托團(tuán)隊(duì)建設(shè)光子測(cè)控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，團(tuán)隊(duì)主持承擔(dān)的科研項(xiàng)目有國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家重大科技專項(xiàng)、國(guó)家973項(xiàng)目、國(guó)家863項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等多項(xiàng)國(guó)家級(jí)和省部級(jí)項(xiàng)目。科研團(tuán)隊(duì)獲國(guó)防科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)榮譽(yù)，獲得省部級(jí)以上獎(jiǎng)勵(lì)6項(xiàng)。

延伸閱讀：

[1]蔣廣通,張亮亮,吳同,張存林.離軸渦旋光束誘導(dǎo)空氣等離子體產(chǎn)生太赫茲波[J].中國(guó)激光,2019,46(6):0614026.

[2]宋巍,劉奐奐,龐拂飛,楊俊鋒,張春香,文建湘,商婭娜,黃素娟,陳娜,曾祥龍,王廷云.傾斜錐形微透鏡單模光纖激發(fā)高階渦旋光模式[J].中國(guó)激光,2019,46(9):0906001.

[3]賴松陶,蘭燕平,毛紅行,錢義先.環(huán)形陣列艾里渦旋光束的自聚焦特性[J].中國(guó)激光,2019,46(4):0405002.

[4]毛寧,韋宏艷,蔡冬梅,賈鵬.復(fù)合渦旋光束拓?fù)浜蓴?shù)測(cè)量的仿真研究[J].中國(guó)激光,2019,46(1):0104008.

[5]魏薇,張羚翔,張志明,唐莉勤,丁鐳,李乙鋼.三種渦旋光光子晶體光纖的設(shè)計(jì)[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2019,39(9):0906006.

[6]駱傳凱,盧芳,苗志芳,韓香娥.徑向陣列渦旋光束在大氣中的傳輸與擴(kuò)展[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2019,39(6):0601004.

[7]裴春瑩,茅志翔,徐素鵬,夏勇,尹亞玲.渦旋光束軌角動(dòng)量的一種新型干涉檢測(cè)方法[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2019,56(14):140502.

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END

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的应用计算机软件matlab使用迭代法仿真激光谐振腔模式_【激光器诞生60周年】带“旋”光束不简单...的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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