關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展

       1.腔內(nèi)直接激發(fā)結(jié)構(gòu)光場

　　1) 基于離軸泵浦和像散轉(zhuǎn)換產(chǎn)生渦旋結(jié)構(gòu)光場

　　我們課題組通過對泵浦的離軸控制來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)過腔外的模式像散轉(zhuǎn)換器得到帶軌道角動量的光場，如拉蓋爾-高斯模式(LG)的光場、厄米-拉蓋爾-高斯模式的光場和SU(2)幾何模式，如圖1(a)所示。

　　中國臺灣交通大學(xué)Chen課題組基于此方法得到了三維李薩如光場，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，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。(a)SU(2)幾何模光場相位控制;(b) 李薩如光場及其傳輸;(c) 余擺線光場及其傳輸

　　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國家激光中心Naidoo所在課題組通過調(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。

　　德國威斯特伐利亞威廉斯大學(xué)Schepers所在課題組和廈門大學(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DMD對泵浦光束整形，實(shí)現(xiàn)了超過1000種高純度厄米-高斯模的輸出。

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

　　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，即雙相位全息法(DPH);在衍射高階構(gòu)造目標(biāo)光場，即計(jì)算全息法(CGH)。

　　如圖2所示，前者通過減小相位步長來降低空間光調(diào)制器的空間衍射效率，而后者則通過加入高空間頻率光柵，增加一階衍射。此外，對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方法定制光場模式。(a) 多種定制結(jié)構(gòu)光場;(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。

　　中國臺灣師范大學(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)過設(shè)計(jì)的光學(xué)散射體組成的陣列，可在微納尺度上對光的相位、偏振以及傳輸方向進(jìn)行靈活的控制。

　　香港浸會大學(xué)Li所在課題組利用幾何相位元件構(gòu)建的超構(gòu)表面將自旋角動量轉(zhuǎn)化成軌道角動量，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。

　　中國科學(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，實(shí)現(xiàn)了任意軌道角動量的多個(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)立軌道角動量的渦旋光，如圖4(b)所示。

　　另外，中國科學(xué)院光電子學(xué)研究所Li所在課題組實(shí)現(xiàn)了多波長、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改變調(diào)制元件來調(diào)制光場，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設(shè)計(jì)泵浦得到特定的輸出結(jié)構(gòu)光，但對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，但對實(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，對光子角動量的物理研究豐富，對光通信領(lǐng)域的發(fā)展和推動具有巨大潛力，但設(shè)計(jì)復(fù)雜，制作成本高。

　　另外，對渦旋結(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)光軌道角動量以及光譜拓展等。

      參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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