近日，华中科技大学光学与电子信息学院张金伟教授和闫力松副教授课题组与北京理工大学光电学院王庆副教授以及韩国釜山大学研究人员合作，报道了一种基于离轴泵浦与非共线泵浦相结合的混合泵浦技术，在半导体可饱和吸收镜（SESAM）锁模全固态激光器中产生阶数连续调谐的飞秒厄米-高斯光束，并利用模式转换器转换成对应的飞秒涡旋光束，实验中实现的最高阶数可达30阶。该论文分别从仿真和实验方面验证了混合泵浦技术在产生高阶可调谐飞秒涡旋光脉冲方面的有效性和实用性。
研究背景
近年来，涡旋光束因其独特的性质（如螺旋相位波前和轨道角动量）而备受关注。飞秒涡旋光束不仅在横向模式中具有螺旋相位波前，而且具有纵模之间固定的相位关系。高峰值功率的飞秒涡旋激光脉冲在粒子微纳操纵、物质与复杂光场之间相互作用、泵浦探针光谱学、非线性涡旋光学以及强场物理学等众多领域具有广阔的应用前景。为促进这些先进应用的进一步发展，如何高效地产生高性能飞秒涡旋光束成为科学家们目前所关注的热点。当前，飞秒涡旋光束主要利用相位器件将基横模飞秒光束进行腔外调制的方法来获得，这种方法存在功率损伤阈值低、具有空间色散等问题。近年来基于激光振荡器的高阶横模光束直接产生方法逐渐引起学术界的普遍关注。这种方法利用激光振荡器结合锁模技术直接产生拉盖尔-高斯飞秒涡旋光束，或者产生厄米-高斯飞秒光束然后通过柱透镜进行高效模式转换从而获得飞秒涡旋光束，具有结构紧凑、稳定性高、可以支持高功率等特点。然而目前基于激光振荡器的飞秒涡旋光产生研究仍然较少，输出光束的拓扑荷数以及功率等性能需要进一步提升以满足不同应用的需求。
创新研究
本工作提出一种混合泵浦技术，结合半导体可饱和吸收镜（SESAM）锁模技术，在全固态激光器中产生可调谐的飞秒厄米-高斯脉冲，并通过柱透镜转换实现对应阶数的飞秒涡旋脉冲，并通过马赫-曾德尔干涉仪对其相位特性进行检测，整体实验装置如图1（a）所示。本工作创新性地将离轴泵浦技术与非共线泵浦技术结合，综合调节各阶高阶厄米-高斯横模的增益和损耗，最终实现1-30阶可调谐的飞秒厄米-高斯脉冲产生。具体实验中，泵浦光出射端被固定在三维位移平台上，首先通过调整位移平台，利用离轴泵浦法（图1（b））产生1-10阶飞秒厄米-高斯脉冲。在此基础上，通过调整端镜的俯仰角引入非共线泵浦法，采用两种方式结合的混合方案（图1（c））实现10-20阶的飞秒厄米-高斯脉冲。随后进一步综合调节两种方式的作用比例，实现21-30阶飞秒厄米-高斯脉冲产生。
图1 整体实验装置(a) SESAM全固态飞秒激光器和马赫-曾德尔干涉仪。(b)离轴泵浦法的基本原理示意图。(c)混合方案泵浦法的基本原理示意图。
此外，该项工作对离轴泵浦技术、非共线泵浦技术以及混合泵浦技术在产生高阶厄米-高斯光束时的有效性进行了模拟仿真和对比。通过计算不同模式在增益晶体中获得的增益可以发现，在产生1-10阶等较低阶飞秒厄米-高斯脉冲时，采用离轴泵浦技术与混合泵浦技术的作用效果基本一致。而混合泵浦技术在产生高阶厄米-高斯光束时具有较大的优势，且这种优势会随着初始离轴泵浦量的增加而不断变大。这一仿真结果与10-30阶飞秒厄米-高斯脉冲产生的实验结果相吻合。
从振荡器中产生的飞秒厄米-高斯脉冲通过由柱透镜组成的模式转化器转换为对应的1-30阶飞秒涡旋光束（图2）。所有模式的脉冲宽度均在650fs以下，并且所产生的11阶飞秒涡旋光的平均功率达到了1.6W。
图2 厄米-高斯光束转换后实现的1-30阶的飞秒涡旋脉冲的光斑图样。
总结与展望
本文提出了一种离轴泵浦技术与非共线泵浦技术结合的混合泵浦方法，结合SESAM锁模全固态飞秒振荡器，产生了高功率、短脉宽、可调谐的1-30阶飞秒厄米-高斯脉冲，并利用模式转换器获得了相对应的飞秒涡旋光束，极大地提升了飞秒涡旋光源的拓扑荷阶数，为产生高阶飞秒涡旋光束提供了一种有效方法，促进飞秒涡旋光束在光镊、材料加工以及非线性光学等领域的新应用。
该研究成果近日发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“High-order femtosecond vortices up to the 30th order generated from a powerful mode-locked Hermite-Gaussian laser”。
华中科技大学光学与电子信息学院硕士生刘洪宇与闫力松副教授为论文的共同第一作者，北京理工大学王庆副教授和华中科技大学张金伟教授为论文的共同通讯作者。（来源：LightScienceApplications微信公众号）
相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41377-023-01241-z
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