腔内模式转换器激光器：打破腔对称性，获得参数更大范围自由调节的结构光

导读

近日，来自清华大学精密仪器系柳强教授课题组和英国南安普顿大学（University of Southampton）玛丽居里学者研究员申艺杰博士等研究人员通过在激光腔内加入一对柱透镜打破了腔的对称性，这种巧妙的结构结合离轴泵浦构成的结构光激光器可以产生腔内（m,n）二维参数可控的厄米高斯模式，再结合腔外转换，实现（p,l）二维参数可控的拉盖尔高斯模式光束，另外通过腔内元件z方向参数控制，还可实现携带轨道角动量的OAM光束直接输出。该研究通过简单的操作方法和紧凑的装置实现模式二维参数可控变化，为结构光的应用提供更大的参数调节空间。该成果以“Index-Tunable Structured-Light Beams from a Laser with an Intracavity Astigmatic Mode Converter”为题，近期发表于美国物理学会（APS）期刊Physical Review Applied。文章第一作者为清华大学博士生潘婧，通讯作者是清华大学柳强教授与南安普顿大学申艺杰博士。

研究背景

结构光因为具有特殊的光场分布，相位奇点，轨道角动量等特性而备受关注，可以用于光镊操控，通信，量子纠缠等领域，而结构光激光器因为结构具有紧凑性，基于简单的装置可以可控产生所需结构光，成为近年来的研究热点。 

       在腔内产生结构光的方式损伤阈值高，具有不受功率限制的特点，在非线性等应用领域具有很大的研究潜力，然而现有的产生方法在模式参数控制方面都具有一定的局限性，例如，使用腔内相位板只能得到固定光场分布的模式，无法自由调控；使用大孔径泵浦得到的模式参数间有耦合关系，无法各自控制。离轴泵浦作为现在常用的方法，却也因其只能自由控制HG(m,n)的一个参数维度而受到限制。 

       因此，为了打破参数控制的限制，我们在腔内引入了一对柱透镜，通过控制腔镜和柱透镜的各自离轴，实现模式两个参数维度的分别自由控制，突破了腔内产生结构光控制自由度小的限制，且通过对腔内元件沿传输方向参数控制，还可直接输出携带轨道角动量的光束，为实际应用提供更简单，更紧凑，模式更加丰富可控的装置。

创新研究

结构光激光器在实际应用中具有很大的应用潜力，但是由于其模式无法自由控制而受到限制，例如LG模式径向参量在通信编码等领域也有巨大应用潜力，未引入腔内柱透镜前，结合离轴泵浦的方法，模式转换后的LG模式径向参量恒为0，大大限制径向参量的实际应用。而本研究通过一个简单的方式突破了参数控制的瓶颈，即首次将腔外使用的由两个柱透镜组成的模式转换器引入腔内，如图1装置图所示，打破腔的对称性，进而通过简单的方式，调节腔镜和柱透镜各自的离轴分别实现了HG模式两个参数的分别自由可控调节。调节范围最高至15阶，多达20余种模式，如图2，且随着泵浦功率的提高仍可继续增加。经过腔外模式转换，将HG模式转换成所对应的LG模式，产生的LG模式角动量参数和径向参数两个参数均可分别大范围可控调节，如图3所示（奇点对应拓扑荷数由干涉叉形条纹表征，如图4），且可调节模式范围随着HG模式的增加仍可继续增加。我们的方法提供了一种结构更紧凑，可调节参数空间更大的激光器，为实际应用提供了更丰富的模式和易于集成化的装置。
图文速览

图1 实验装置图。（图片来源：Phys. Rev. Applied 14, 044048 (2020)（Fig.1））

图2 HG模式随腔镜和腔内柱透镜的各自的离轴量的演化图。（图片来源：Phys. Rev. Applied 14, 044048 (2020)（Fig.3））

图3 OAM模式随腔镜和腔内柱透镜的各自的离轴量的演化图。（图片来源：Phys. Rev. Applied 14, 044048 (2020)（Fig.4））

图4 OAM模式和参考光束干涉光场分布，显示奇点拓扑荷数。（图片来源：Phys. Rev. Applied 14, 044048 (2020)（Fig.5））

此外，通过腔内柱透镜间距离的参数调节，我们的结构光激光器还可实现携带轨道角动量光束的直接输出，此结果解释了腔内模式转换的实质，同时为实际应用提供了一个可实现多功能的结构光激光器。

展 望

该研究突破了腔内直接产生结构光无法自由控制参数的现状，基于该研究的结构光激光器可产生在两个参数维度均可分别自由控制的结构光，同时该激光器在腔参数调节后可实现携带轨道角动量光束的直接输出，该多功能结构光激光器丰富了输出的结构光模式，结构紧凑，易于集成化，简单可自由控制，增加了微粒操控，通信编码等领域的应用潜力，损伤阈值高不受功率限制，为非线性研究打下基础。