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光子传统维度到空间新维度—涡旋光激光器

点击次数：1860 发布时间：2025/8/7 18:18:10

　　一、背景

　　光子相比电子的独特之处在于其具有多个维度，光子的基本维度资源是基于光子技术的基础，主要包括波长/频率、复振幅、偏振、时间和横向空间维度，如图1所示。通过对光子的横向空间维度进行操控，可以得到相应的结构光，而涡旋光场就是其中一种。涡旋光是一种横向空间分布的特殊光场，包括相位涡旋光和偏振涡旋光，被广泛应用于天文学、操纵、显微镜、成像、传感、量子科学和光通信等领域。

　　图1 光子的基本物理维度资源

　　目前，涡旋光场的产生技术主要采用腔外转换法，即通过在激光谐振腔外放置光学元件来实现高斯光束到涡旋光场的转换。除此之外，通过激光谐振腔直接输出涡旋光场的涡旋光激光器也是涡旋光产生的一种方法。涡旋光激光器能避免腔外转换法的部分缺点，如转换效率低、转换之后光斑质量差、功率限制、额外增加转换器件等。

　　本文聚焦涡旋光激光器，重点介绍了基于分立元器件的涡旋光激光器、基于光纤的涡旋光激光器以及基于集成器件的涡旋光激光器的研究进展，揭示了涡旋光激光器目前存在的问题，并对未来的发展趋势进行了展望。

　　二、关键技术进展

　　涡旋光的产生方法按照是否存在增益介质可以分为无源和有源，如图2所示。其中，无源方法主要包括衍射光学元件、变换光学方法、相位板、基于光纤的器件、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涡旋光场，即涡旋光激光器。涡旋光激光器按照产生机理可以分为腔内插入元件法、特殊腔镜法、环形光泵浦法等。根据涡旋光激光器的应用场景，本文将其分为基于分立元器件的自由空间涡旋光激光器、基于光纤的涡旋光激光器以及基于集成器件的涡旋光激光器。

　　图2 涡旋光场的产生方法

　　1、基于分立元器件的涡旋光激光器

　　相较于光纤激光器和集成片上涡旋光激光器，基于分立元器件的涡旋光激光器主要由自由空间中分立的单元光器件组成，输出激光也是直接在自由空间中产生的，具有构造简单、输出光场稳定、输出模式数目多等优点。

　　图3 基于分立元器件的涡旋光激光器

　　2005年，Kozawa等基于腔内插入元件法，在Nd:YAG激光器的谐振腔中插入布儒斯特棱镜，实现了偏振涡旋光的直接激射输出，如图3(a)所示。图3(c)报道了一种能够产生高阶庞加莱球所有态的新型激光器。利用激光腔内的Q-plate元件将偏振态映射到涡旋光场，证明了标准激光腔的涡旋光场的简并度可以被破坏，激光腔输出了高质量的涡旋光场，这种方法为在腔内实现几何相位控制的新型涡旋光激光器铺平了道路。图3(f)报道了一种在内腔插入超表面器件以控制激光器输出光场的涡旋光激光器。通过合理设计超表面器件，能够实现任意线偏振态到涡旋光场的映射，实验中实现了最高100阶涡旋光场的输出。相较于插入基于几何相位的Q-plate的激光器，该激光器能够同时输出差异极大且不对称的涡旋光场。

　　华中科技大学王健教授课题组演示了一种涡旋模式重构且波长可调谐的涡旋光激光器，其谐振腔包含自由空间部分和光纤部分。在自由空间部分，通过在激光谐振腔中插入空间光调制器(SLM)和带通滤波器(BPF)，实现了模式选模和波长选模，最终实现了阶数为-10~10的涡旋光场重构以及整个C波段的调谐。

　　图4 可重构可调谐OAM激光器。(a)概念和原理;(b)实验装置

　　图4展示了可重构可调谐轨道角动量(OAM)激光器的原理图和实验装置图。模式选择模块(高斯光-涡旋光-高斯光转换模块)可以保证腔内只激发单个涡旋模式，模式转换模块分为高斯光到涡旋光、涡旋光到高斯光和涡旋光输出三部分。通过在SLM上加载不同的相位图，可以实现可重构的涡旋光激光器，而可调谐BPF可以实现激光器波长调谐。

　　2、基于光纤的涡旋光激光器

　　在光通信系统中，光纤激光器相比半导体激光器具有更好的稳定性，且光束质量更优，能更好地兼容光纤通信系统，有效降低系统的复杂度和成本。光纤激光器是以掺杂光纤作为增益介质的激光器，增益光纤的不断改进和发展使得光纤激光器有了更多的种类，利用不同的掺杂光纤可以实现不同波段的光纤激光器。

　　图5 基于光纤的涡旋光激光器

　　图5(a)所示为一种低阈值涡旋光激光器，通过在少模光纤上刻写光纤布拉格光栅(FBG)来实现谐振中的模式选择，进而实现输出模式的切换。少模光纤中刻写的FBG作为腔镜存在多个反射峰，对应谐振腔中不同的振荡模式。在谐振腔中放置偏振控制器，调节腔内的偏振状态，进而调节不同模式的损耗，从而控制谐振腔中振荡的模式和激光器输出的模式。模式之间的转换也可以用长周期光栅(LPFG)来实现，图5(b)所示为一种基于LPFG的低阈值偏振涡旋光激光器。图5(e)展示了一种基于模式耦合器的飞秒锁模激光器。利用拉锥技术制备的宽带模式耦合器件，将基模转换为高阶模式，环形谐振腔中振荡的基模被这个器件转换成高阶模式，实现高阶涡旋光束的输出。图5(f)展示了一种基于环形光纤的光纤激光器，通过在环形光纤上直接刻写FBG，可以实现高阶模式的直接输出。

　　王健教授课题组提出了一种线形腔激光器，其谐振腔由光纤上飞秒激光刻写的FBG和法布里-珀罗干涉仪(FPI)组成，可以实现腔内高阶模式的直接谐振输出，是波长可以切换的涡旋光激光器。飞秒激光刻写FBG具有很高的灵活性和可操作性，对于绝大部分透明材料，都可以通过这种方式直写光栅或光波导结构，因此可以灵活选择加工材料体系。实验装置如图6所示，整个谐振腔由同一种光纤组成，在环形掺铒光纤上刻写FBG和FPI，利用它们的偏振特性，通过调节两端的偏振控制器，调节谐振腔中不同模式的损耗，实现谐振腔中的模式选择和涡旋模式的直接输出。

　　图6 可调谐OAM激光器的实验装置图

3、基于集成器件的涡旋光激光器

图7 微腔激光器结构示意图。产生（a）角向和（b）径向偏振涡旋光的微腔激光器；（c）矢量光激光器的横截面

　　近年来，光子集成技术发展迅猛，光学器件的小型化是一种发展趋势。相比集成器件的灵活性、可重构、可调谐特性，传统分立元件具有很大的局限性。目前，产生涡旋光的集成器件主要是无源器件，且大部分是基于硅基平台的微环光栅器件。基于此，华中科技大学王健教授课题组利用InP平台的微环光栅器件，通过优化结构设计，制备了基于电泵浦的高速直调偏振涡旋光激光器。

　　图7给出了分别用于产生角向和径向偏振涡旋光的结构示意图。如图7(a)所示，微腔顶部刻蚀有光栅结构。如图7(b)所示，微腔的顶部和侧壁都刻蚀有光栅结构。图7(c)展示了激光器的主要组成结构，包括衬底、P欧姆接触层、下包层、有源区、上包层、顶部光栅、侧面光栅和N欧姆接触层。

　　三、总结与展望

　　激光器的出现是现代光学发展的一大重要成果，激光不仅揭示了光子的本质特性，帮助人们了解微观世界，还被广泛应用在工业制造、生物医学、****等领域，推动着现代科技的发展与进步。因此，涡旋光束的产生技术是涡旋光应用的基础，对拓宽涡旋光的应用范围至关重要。目前，涡旋光产生主要是通过腔外转换实现的，该方法简单方便，但是存在一些明显的局限性，影响涡旋光的应用。因此涡旋光激光器具有重要的研究意义。

　　参考文献：中国光学期刊网

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原创作者：筱晓（上海）光子技术有限公司

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