基于横模频率简并的复杂结构光场固体激光研究

The Structure Light Field is the frontier of today's optical physics research. The amplitude or phase modulation of the Gaussian beam by using the spatial light modulation element is the traditional method for generation of the Structure Light Field. The method shows obvious limitation in terms of generating high-power Structure Light Field due to the easy to damage and high cost of the modulation element. Laser mode selection technology can generate high power vortex beam, but the structure of light field is simple. This project is based on the mode frequency locking and degeneracy theory of solid laser. The researches will focus on the investigation of the condition of transverse mode locking and degeneracy of cavity with large fresnel number and the control of the scalar resonance coherent state. Revealing the law in the manipulation of degenerate resonant coherent state in solid-state lasers, and explore a technique for generating Structured Light Field with complex topological structure and high-power, emission from solid-state lasers, and obtaining the Structured Light Field with high power, large angular momentum or fractional angular momentum. The research results can be used at the fields of quantum communication, micro-nano processing etc.

空间结构光场是当今光物理学研究的前沿热点。用空间光调制元件对高斯光束进行波前调制是获得空间结构光场的传统方法。由于调制元件易损伤，该方法在高功率方面具有明显的局限性且造价昂贵。现有基于模式选择的结构光场激光直接产生方式，可获得高功率涡旋光输出，但由于无法实现多态叠加，只能输出单一阶数的简单结构光场。本项目拟从近十几年来发展起来的固体激光横模频率锁定及简并理论出发，通过研究大菲涅尔数谐振腔的横模锁定及简并条件，并以增益、损耗及位相微调节为手段，调控不同阶模式简并所产生的激光共振相干态的三维拓扑结构，探索一条激光器直接产生高功率、复杂拓扑结构的空间结构光场激光的技术路线。该路线既能有效避免元件损伤，获得高功率的结构光场，又可实现固体激光的多态叠加，有效产生分数轨道角动量、大轨道角动量等复杂结构光场的激光输出。研究结果在量子通讯、微纳加工等领域具有广阔的应用前景。

结构光场是一种在空间上具有一定规律性的非均匀宏观光场，其振幅、相位或偏振方向都可能在空间呈现规律性分布。带有奇点的结构光场表现出超衍射极限和自旋-轨道角动量耦合等独特的性质，与物质相互作用会产生新现象及新应用，已在光镊、量子通讯、超高分辨显微成像、超精细加工等领域显露出独特的作用。相较于腔外波前调制产生结构光场的技术，由激光器通过增益和相位调控直接输出带奇点结构的结构光场由于其低腔损、高增益、高效率，成为近几年国际上直接产生全固态结构光场激光输出的重要方案。在激光谐振腔内，由于空间传输路径的不同，不同的腔内模式一般具有不同的光频率，因此，谐振腔内模式的频率锁定，是实现不同模态稳定叠加的结构光场的关键问题，对该方面展开研究，对深入理解模式频率锁定以及模式叠加条件具有重要意义。.项目通过输出功率射频谱，测量分析了固体激光谐振腔内横模简并过程的频差变化,观察到简并过程中发生的混沌现象,测量了横模简并的腔长范围；以腔内偏振模式为对象，研究了腔内偏振模式频差及其与镜片微倾斜的关系，通过频谱分析，观察了正交本征偏振模式频差的减小及频率锁定现象，通过偏振光斑解析，证明了腔内模式偏振锁定后产生的两个偏振模式的相干合成关系，该研究解决了各向同性激光介质产生线偏振输出的物理本质问题，并提供了一种研究两个模态频率简并及相干叠加的手段；根据拉盖尔-高斯涡旋光束的模式匹配理论计算了不同阶涡旋光产生的的阈值功率和泵浦位置，采用锥透镜整形，成功实现了从1阶到18阶环形拉盖尔-高斯涡旋光的连续调谐，并通过马赫贞德干涉以及光束质量因子测量，确定了涡旋光的轨道角动量拓扑荷数，该部分研究提供了一种获得连续可调谐、大轨道角动量涡旋光束的技术手段，为涡旋光的进一步应用提供了技术支持。