一、背景

　　光子相比電子的之處在于其具有多個維度，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/頻率、復振幅、偏振、時間和橫向空間維度，如圖1所示。通過對光子的橫向空間維度進行操控，可以得到相應的結(jié)構(gòu)光，而渦旋光場就是其中一種。渦旋光是一種橫向空間分布的特殊光場，包括相位渦旋光和偏振渦旋光，被廣泛應用于天文學、操縱、顯微鏡、成像、傳感、量子科學和光通信等領(lǐng)域。

　　圖1 光子的基本物理維度資源

　　目前，渦旋光場的產(chǎn)生技術(shù)主要采用腔外轉(zhuǎn)換法，即通過在激光諧振腔外放置光學元件來實現(xiàn)高斯光束到渦旋光場的轉(zhuǎn)換。除此之外，通過激光諧振腔直接輸出渦旋光場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，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展，揭示了渦旋光激光器目前存在的問題，并對未來的發(fā)展趨勢進行了展望。

　　二、關(guān)鍵技術(shù)進展

　　渦旋光的產(chǎn)生方法按照是否存在增益介質(zhì)可以分為無源和有源，如圖2所示。其中，無源方法主要包括衍射光學元件、變換光學方法、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，即渦旋光激光器。渦旋光激光器按照產(chǎn)生機理可以分為腔內(nèi)插入元件法、特殊腔鏡法、環(huán)形光泵浦法等。根據(jù)渦旋光激光器的應用場景，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)造簡單、輸出光場穩(wěn)定、輸出模式數(shù)目多等優(yōu)點。

　　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，證明了標準激光腔的渦旋光場的簡并度可以被破壞，激光腔輸出了高質(zhì)量的渦旋光場，這種方法為在腔內(nèi)實現(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的渦旋光激光器。通過合理設(shè)計超表面器件，能夠?qū)崿F(xiàn)任意線偏振態(tài)到渦旋光場的映射，實驗中實現(xiàn)了最高100階渦旋光場的輸出。相較于插入基于幾何相位的Q-plate的激光器，該激光器能夠同時輸出差異極大且不對稱的渦旋光場。

　　華中科技大學王健教授課題組演示了一種渦旋模式重構(gòu)且波長可調(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)，實現(xiàn)了模式選模和波長選模，最終實現(xiàn)了階數(shù)為-10~10的渦旋光場重構(gòu)以及整個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)實驗裝置

　　圖4展示了可重構(gòu)可調(diào)諧軌道角動量(OAM)激光器的原理圖和實驗裝置圖。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。通過在SLM上加載不同的相位圖，可以實現(xiàn)可重構(gòu)的渦旋光激光器，而可調(diào)諧BPF可以實現(xiàn)激光器波長調(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，通過在少模光纖上刻寫光纖布拉格光柵(FBG)來實現(xiàn)諧振中的模式選擇，進而實現(xiàn)輸出模式的切換。少模光纖中刻寫的FBG作為腔鏡存在多個反射峰，對應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)換也可以用長周期光柵(LPFG)來實現(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器件轉(zhuǎn)換成高階模式，實現(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，通過在環(huán)形光纖上直接刻寫FBG，可以實現(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，可以實現(xiàn)腔內(nèi)高階模式的直接諧振輸出，是波長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，對于絕大部分透明材料，都可以通過這種方式直寫光柵或光波導結(jié)構(gòu)，因此可以靈活選擇加工材料體系。實驗裝置如圖6所示，整個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激光器的實驗裝置圖

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，光子集成技術(shù)發(fā)展迅猛，光學器件的小型化是一種發(fā)展趨勢。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源器件，且大部分是基于硅基平臺的微環(huán)光柵器件。基于此，華中科技大學王健教授課題組利用InP平臺的微環(huán)光柵器件，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，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，還被廣泛應用在工業(yè)制造、生物醫(yī)學、****等領(lǐng)域，推動著現(xiàn)代科技的發(fā)展與進步。因此，渦旋光束的產(chǎn)生技術(shù)是渦旋光應用的基礎(chǔ)，對拓寬渦旋光的應用范圍至關(guān)重要。目前，渦旋光產(chǎn)生主要是通過腔外轉(zhuǎn)換實現(xiàn)的，該方法簡單方便，但是存在一些明顯的局限性，影響渦旋光的應用。因此渦旋光激光器具有重要的研究意義。

　　參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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