基于增益空间调控的中红外涡旋激光直接产生方法的研究

Mid-infrared vortex lasers carried orbital angular momentum has unique applications in the area of special processing of organic materials, physics, and spectroscopy of new molecular. In this project, a novel scheme is proposed to realize the direct generation of mid-infrared vortex lasers by gain spatial distribution design. Also, chirality can be controlled by modulate the net gain and broke the balanced transmission. We will focus on the study of the influence of Fresnel losses, physical anisotropy and zero center gain distribution on the output vortex characteristics. At last, mid-infrared vortex pulse laser with high conversion efficiency and controllable chirality can be obtained. This project will not only can develop new techniques and provide theoretical guidelines for the following researches on intra-cavity vortex lasers, its results also has promising applications in novel high capacity communication, nonlinear optics, special processing of organic materials, and so on.

携带轨道角动量的中红外涡旋激光在透明有机材料特殊加工、物理科学、新生分子光谱学等领域具有独特的应用和科研价值。本课题提出一种通过调控增益空间分布直接产生中红外涡旋激光的全新技术方案，并提出利用调节腔内净增益来实现谐振涡旋光简并态分离的新思路。重点研究菲涅尔反射损耗、材料物理特性空间不对称性以及中心零增益分布对输出涡旋激光性能的影响。最终获得具有较高转化效率且螺旋向可控的中红外脉冲涡旋激光输出。本课题不仅能开拓腔内增益空间调控直接振荡产生涡旋激光的新领域，为后续腔内直接产生涡旋激光的研究提供理论依据，其产生的中红外脉冲涡旋激光也将在新型大容量通信、非线性光学、有机材料特殊加工等方面具有重要的应用前景。

本报告是对前沿的全固态涡旋激光的综合性能进行系统全面的研究汇报，包括产生，手性控制，波长调谐，脉冲调制。采用环形光端面泵浦技术，使得具有“甜甜圈”状光强分布的拉盖尔-高斯（LG0l）模式和泵浦光之间的空间重叠面积得到了优化，为涡旋激光的直接产生激光提供了简单，高效，稳定的方法。同时，环形泵浦技术为横模的选择也减少了有害的热透镜效应，使端面泵浦涡旋激光器功率进一步的提升有了可能。然而，由于左右手性LG0,±l模式具有相同的空间分布，这种腔内直接产生的LG0l模式往往是一种混合模态，存在两手性模式的相干和非相干的叠加，因此平均携带的OAM接近于0，因此我们进一步探索了涡旋手性区分的方法。本报告创新性的提出了在固体涡旋激光器中基于热致偏振现象和四分之一波片的手性选择法，成功产生了手性稳定的LG0,+l和LG0,-l模式；以及基于体布拉格光栅(VBG)的波长调谐方面的光学性能，第一次被证实了VBG对于涡旋激光的有效性，可以在不破坏轨道角动量（OAM）的情形下调谐并且窄化(<0.04 nm)波长; 在固体腔内使用声光Q开关，首次获得了高达1mJ单脉冲能量的涡旋脉冲；使用实验室自制的黑磷片作为二维材料可饱和吸收体以及手性控制的集成性元件，可以在减少插入损耗的前提下同时获得手性稳定的微秒脉宽的涡旋光被动调制脉冲。另外，在2微米Tm:LuYAG激光系统中也实现了手性可控的涡旋模式激光的产生。