基于相干合束的全矢量激光谐振腔的研究

Vectorial optical fields have inhomogeneous polarization distributions. The generation of vectorial optical fields with high efficiency and versatility is of great importance to super-resolution imaging, laser micromachining, optical micromanipulation and quantum optics. The project innovatively proposes a scheme of coupled laser resonators to achieve both high efficiency and versatility which is not shared by current either intra-cavity or external-cavity methods. The resonator includes two branches to generate two different beams of opposite handedness. The two beams are coherently combined through a vector grating to generate all kinds of complex vectorial optical fields, such as Full Poincare Beams and High-order Poincare Beams. The full vector laser resonator is entirely meaningful to study complex vectorial optical fields and their applications.

矢量光场是具有非均匀偏振态分布的特殊光场。高效且灵活的生成多种样式的复杂矢量光场对超分辨成像、激光精细加工、光学微操控和量子光学等领域具有重要的意义。本项目创新性的提出基于相干合束技术的全矢量激光耦合谐振腔方案，解决目前矢量光场腔内生成法缺乏灵活性和腔外生成法效率偏低的问题。该耦合谐振腔包含两个增益支路，分别产生各自的旋向正交且可调控的分量光场，通过矢量合束光栅，在腔内相干叠加，高效生成包括全庞加莱球偏振光和高阶庞加莱球偏振光等各种类型的复杂矢量光场。全矢量激光耦合谐振腔的研究对复杂矢量光场的深入探索和广泛应用具有重要的意义。

本项目研究复杂矢量光场的产生系统、三维时空表征及应用。1、完成矢量光场的三维偏振态拓扑结构的理论研究，明确二维非均匀矢量光场与三维偏振焦场的映射关系，搭建矢量光场激光系统，生成所需的二维复杂矢量光场。奇异光场偏振拓扑结构的调控在传感、光与物质相互作用、超材料制造和新型光学器件开发等方面有潜在的应用价值。2、搭建具有时空耦合特性的矢量光场光学系统，完成时变光子轨道角动量的相关理论和实验研究工作，实现百飞秒量级的光子轨道角动量的快速切换。完成基于时空涡旋和空间涡旋交叉实现三维任意朝向光子轨道角动量的理论和实验研究。基于光学保角变换，实现三维时空光场的生成，产生具有涡环结构的时空耦合矢量光场。光子横向轨道角动量的时变特性和三维任意朝向光子轨道角动量可望在超快光开关、光镊、粒子碰撞、自旋-轨道角动量耦合和量子通信等领域得到应用，而光学涡环的研究对环状对称电动力学、环状对称等离子物理、光学对称和拓扑等理论研究，以及光学传感、光操纵、光信息与能量传递等应用研究都具有重要的意义。3、提出并证明基于阿基米德螺旋映射的涡旋光束的分选方案，通过灰度刻蚀加工制作了对应的涡旋光束分选光学元件，并应用于涡旋光束解复用，测量结果表明该方案较传统的对数极坐标映射方案，分辨率提高了5倍。设计和加工低成本、高精度涡旋光束解复用光学元件对基于涡旋光束的高速光通信应用具有重要的意义。同时，在其它涉及光学变换的领域，本研究所提出的任意螺旋保角变换也具有较好的应用前景。本项目共发表SCI 论文16 篇（一作/通讯9篇）；在PIERS 2021、LTO 2022、OAM Workshop 2022会议上做特邀报告；授权国家发明专利3 项（一种偏振衍射光栅的激光相干合束耦合谐振腔、产生时空涡旋光场的方法及时空涡旋光场的检测方法、一种光学轨道角动量分选系统及方法）。