可见光波段涡旋光的产生技术分析和展望

  与激光工程》联合河北工业大学共同出版“河北工业大学校庆专刊“，特邀请齐瑶瑶副教授撰写“可见光波段全固态涡旋激光腔内产生技术探讨研究进展” 文章，综述了激光腔内直接产生可见光波段涡旋光的产生技术和可见光波段涡旋固态激光的腔内产生技术，并对其未来发展做多元化的分析和展望。

  涡旋光由于携带轨道角动量信息，在天文学、光学操控、显微成像、传感、量子科学和光通信等领域存在广泛的应用前景。特别地，针对可见光波段涡旋激光，在水下通信领域，涡旋光束可以明显提高通信容量。此外，在可见激光高分辨成像领域，涡旋光束可大幅度提高成像分辨率。目前，可见光波段涡旋光主要是通过无源法和有源法产生。相比腔外转换的无源法，有源法在转换效率、光束质量 (模式纯度) 以及功率提升方面均具有非常明显优势。本文重点阐述激光腔内直接产生可见光波段涡旋光的产生技术，包括离轴泵浦法、环形泵浦法、腔内球差法等技术方法。具体综述可见光波段涡旋固态激光的腔内产生技术，分别从基于非线性频率变换的可见光涡旋激光产生技术、基于分立元器件的LD直接泵浦可见光全固态涡旋激光产生技术、基于光纤介质的LD直接泵浦可见光全固态涡旋激光产生技术方面做介绍，并分析和展望未来技术发展趋势。

  涡旋光束因携带轨道角动量信息，并具有螺旋相位等特性，在宏观量子纠缠测量、角度遥感、精确空间测量以及手性等离激元纳米喷流激光打印等领域，被视为理想光源。近年来，涡旋光束的产生与调控给激光技术注入了新的活力，并带动了新型激光产业的发展。随着可见光波段激光光源的加快速度进行发展，可见光波段涡旋激光备受瞩目，并大范围的应用于激光打印、量子技术、激光高分辨成像和水下激光通信领域。在激光高分辨成像领域，涡旋光束可明显提升激光成像分辨率和滤噪效果；水下通信领域受益于蓝绿光波段在水下低吸收的特性，传输距离得以提高，同时，激光光束若携带轨道角动量，可逐步扩大通信容量。因此，发展可见光波段涡旋激光产生技术，将带动可见光通信、激光高分辨成像等应用的加快速度进行发展，有很重要的科学价值和实际意义。

  图1可见光波段涡旋激光在高分辨成像和水下通信中的应用 通常，可见光波段涡旋光束最重要的包含拉盖尔高斯光束、贝塞尔光束、高阶椭圆厄米高斯涡旋光束等。产生上述可见光波段涡旋光的方法大致上可以分为腔外转换法和腔内直接产生法。腔外转换法通过在激光器外部放置光学元件实现从高斯光束到涡旋光束的转换，包括模式转换器、螺旋相位板、全光纤器件、等离子体超表面等。然而，腔外转换法由于光学元件的引入导致更大的损耗和误差，因此，常常面临光转换效率低、输出功率降低和光斑质量差等问题。为客服腔外转换法的问题，研究人员开始关注腔内直接产生涡旋光的技术，此结构激光器具有更加好的光束质量、更高的输出功率和更低的成本。目前，主要通过控制腔内模式增益与损耗关系来抑制腔内高斯模式振荡，由此产生不同阶次涡旋激光，包括离轴泵浦法、环形泵浦法、腔内球差法、点缺陷镜等。 为此，文章重点阐述可见光波段全固态涡旋激光腔内产生技术。首先简要介绍可见光波段涡旋激光的应用背景和研究意义，以及可见光波段涡旋激光的腔内产生方法。接着重点介绍三种关键的可见光波段涡旋激光产生技术：基于非线性频率变换获得可见光波段的涡旋激光产生技术、基于分立元器件的LD直接泵浦可见光波段全固态涡旋激光产生技术和基于光纤介质的LD直接泵浦可见光波段全固态涡旋激光产生技术。最后，总结分析当前可见光波段涡旋激光腔内产生技术存在的问题，并对未来的发展的新趋势进行展望。

  近年来，随着近红外波段涡旋激光技术的迅速发展，通过非线性频率变换产生可见光波段的涡旋光技术更为成熟，其输出功率指标和拓扑荷数更高，腔外通过螺旋相位板和模式转换器等调制元件产生涡旋光也更简单可控，但是激光器整体结构较为复杂，总体转换效率较低。 随着高亮度蓝光LD的加快速度进行发展，LD直接泵浦的可见光全固态激光振荡输出成为可能 ，目前用于可见光输出的激光晶体主要为掺Pr3+晶体、掺Ho3+晶体、掺Dy3+晶体等，其中Pr3+具有多个激光能级，可获得多种可见光波长的激光输出，因此掺Pr3+晶体是实现全固态可见涡旋光输出的重要激光介质。基于分立元器件的 LD 直接泵浦可见光全固态涡旋激光器具有构造简单、输出光场稳定、输出模式数目多等优点，主要途径包括离轴泵浦、环形光泵浦、腔内球差法等。近年来，国内外多家研究机构逐渐参与到 LD 直接泵浦的可见光全固态涡旋激光产生的研究工作中，国内单位主要有厦门大学、天津大学、南京理工大学等，国外的主要研究单位包括印度光子科学实验室、日本千叶大学等。

  图2 LD 直接泵浦的可见光全固态涡旋激光的产生方法 在基于分立元器件的全固态可见涡旋光产生技术方面，目前主要是通过直接泵浦可见光晶体并设计特殊谐振腔结构以实现腔内涡旋激光直接输出。主要是采用的方法有离轴泵浦法、环形泵浦法、球差法等，未来有望通过腔镜刻蚀点缺陷的方法实现可见涡旋光的输出。腔内直接输出涡旋激光凭借着高功率、高光束质量和高稳定性等优势，成为当前涡旋光产生研究的重点关注方向。然而，可见光波段小的受激发射截面和低增益仍然是可见光波段激光晶体和激光器所面临的重要挑战，在涡旋光输出方面，仍存在输出涡旋光束阶次低和阶次不可控、效率低等问题。 针对基于光纤介质的可见涡旋光腔内产生技术，主要研究工作集中于可见光波段脉冲涡旋光纤激光产生技术，国内研究单位最重要的包含厦门大学、清华大学、北京理工大学、上海大学、天津大学等。主要是采用纤芯偏移 (错位熔接)、引入长周期光纤光栅、手性光纤光栅、或模式选择耦合器等涡旋光产生手段结合传统可见光Q调制或锁模技术来实现，或采用离轴泵浦结合新型可见光波段可饱和吸收体来实现。相较于全固态激光器，光纤涡旋激光器具有结构紧密相连、锁模稳定等优势，适应性广泛，能够很好的满足集成和便携应用的需求。然而，光纤涡旋激光器仍需克服光纤模式串扰和输出功率较低的挑战。未来的研究将继续探索新的光纤设计和优化技术，以提高可见光波段光纤涡旋激光器的性能和稳定能力，逐步推动其在所有的领域的应用。

  随着大数据时代下水下通信、激光高分辨成像等领域对可见光波段涡旋激光提出的高应用需求，开展可见光波段涡旋光腔内产生技术的研究具备极其重大意义。文中从上述三种技术途径综述了可见光波段涡旋激光研究进展。总的来说，尽管频率变换是当前实现可见涡旋激光的主要技术途径，但随着高亮度蓝光LD和可见光波段激光增益介质的加快速度进行发展，基于分立元器件的固体和和光纤可见光全固态涡旋光产生技术也逐渐发展为新型激光技术，并在连续波、被动调Q和被动锁模等运转方式上均取得了显著的进步。然而，相比于成熟的近红外波段涡旋光而言，通过LD直接泵浦的固体/光纤的可见光全固态涡旋激光仍然有一些问题亟待解决，例如在更高输出功率、更高单脉冲能量、更短脉冲宽度、更高拓扑荷数、更宽波长调谐范围等方面仍有很多的工作要做。 当前，基于蓝光LD直接泵浦的可见光波段全固态连续涡旋激光最高功率水平仍在W量级以下；通过离轴泵浦技术所获得的可见光波段涡旋激光阶次仍然很低且不可控；点缺陷技术目前仍未在可见光波段获得应用；针对大能量调Q可见光涡旋激光而言，有必要深入研究可饱和吸收体的性能，以获得更短的脉冲和更高的单脉冲能量；同时针对超快涡旋可见激光而言，需进一步挖掘新型锁模机制和高调制深度锁模元件，探索纵模锁定的同时，研究空间域上高阶横模激发与横模竞争及复用机制，从而为飞秒超快涡旋可见激光光源研制提供新的思路；在可见光波长拓展方面，蓝光LD直接泵浦的可见光全固态激光其中心波长主要集中于红光、橙光、青光、绿光等分立激光波长，且未完全实现上述波段的涡旋激射，因此可进一步挖掘新的高增益宽带可见光激光材料或结合拉曼变换等非线性过程以实现全波段可见光的宽调谐运转。总而言之，为提升可见光波段涡旋激光的输出性能，未来仍需从半导体激光泵浦源、激光谐振腔调控、激光增益介质、可饱和吸收体、涡旋光调控技术等多方面来优化、改进和提高，从而支撑可见光波段激光高分辨成像、可见光通信等应用，甚至有望开拓出前所未有的新应用。

  齐瑶瑶，河北工业大学副教授，博士生导师，主要是做高功率固体激光技术、光纤激光技术和非线性光学等领域的研究工作。作为负责人主持国家自然科学基金、国家博士后面上基金、河北省自然科学基金面上/青年基金、河北省教育厅基金、军工横向项目等多项课题。近年内累计发表SCI论文80余篇，其中以第一作者或通讯作者身份在Materials Today Physics、IEEE JSTQE等学术期刊发表SCI论文20余篇（一篇入选ESI高被引论文），授权专利20余项。担任Photonics等SCI期刊的专题客座主编。

  吕志伟，“长江学者”特聘教授，河北工业大学学术委员会主任，先进激光技术研究中心主任。现担任中国光学学会激光专业委员会副主任、中国电子学会工业工程分会副主任、国家自然科学基金委员会评审专家、中国工程教育电子信息与电气工程类专业认证委员会副主任，国防科学技术创新团队带头人、教育部创新团队带头人。主要是做高功率固体激光技术、非线性光学和激光光谱技术等领域的科研工作。主持国家重大专项项目、国家重大科学技术工程建设项目、国家自然科学基金重点项目和重大仪器专项等科研项目50余项。获得军队科学技术进步一等奖2项、黑龙江省自然科学奖一等奖1项、航天工业总公司科学技术进步二等奖1项等科技奖励。发表学术论文400余篇，授权发明专利30余项。

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