带“旋”光束不简单

柳强

《中国激光》于2020年第5期出版“纪念激光器诞生60周年”专题。《中国激光》编委、清华大学精密仪器系柳强教授受邀撰写《复杂涡旋结构光场的产生方法》长篇综述论文。本文从腔内直接激发与腔外调制产生两个方面，综述了近年来复杂涡旋结构光场产生方法的重要进展，分析了各类方法优缺点，展望了未来发展方向。

背景介绍

涡旋光是一种携带轨道角动量、相位面呈螺旋状分布的新型结构光场，在量子纠缠、量子通信、光学微操控、3D光束整形和微纳光机械驱动等领域已经获得了广泛应用。相比传统单奇点涡旋光，复杂涡旋光具有更复杂的相位结构、OAM和偏振分布光场，例如厄米-拉盖尔高斯模式、涡旋恩斯-高斯模式、SU(2)几何模、分数阶OAM模式以及自旋-轨道角动量耦合的矢量涡旋光束等。随着光场相位奇点和轨道角动量(OAM)操控技术的发展，探索新型结构光场已成为研究的重要部分。

关键技术进展

1. 腔内直接激发结构光场

1) 基于离轴泵浦和像散转换产生涡旋结构光场

我们课题组通过对泵浦的离轴控制来改变泵浦和不同模式分布的重叠率，从而控制增益损耗，产生所需的高阶模式，而后经过腔外的模式像散转换器得到带轨道角动量的光场，如拉盖尔-高斯模式(LG)的光场、厄米-拉盖尔-高斯模式的光场和SU(2)几何模式，如图1（a）所示。

台湾交通大学Chen课题组基于此方法得到了三维李萨如光场，如图1（b）所示。该课题组在横纵模锁定的状态下，在菲涅耳数更大的激光系统中得到了余摆线光场，以及自发横向锁模的稳定涡旋晶格模式，如图1（c）所示。

图1 几种典型的复杂涡旋结构光场。（a）SU(2)几何模光场相位控制；(b) 李萨如光场及其传输；(c) 余摆线光场及其传输

2) 基于腔内调制器件产生涡旋结构光

为了在腔内获得涡旋结构光，研究人员初期在谐振腔内插入金属细丝，获得高纯度的一阶厄米-高斯光束，此后将各种调制器件插入谐振腔内，例如螺旋相位板、光阑、声光调制器、液晶q平板和液晶空间光调制器等。

南非CSIR国家激光中心Naidoo所在课题组通过调控腔内q平板和1/4波片的角度实现了整个高阶庞加莱球上光束的产生，以及光子自旋和轨道角动量间的可控转换。

南非KwaZulu-Natal大学Ngcobo所在课题组利用空间光调制器，通过灰度图像控制相位和振幅,实现标准固态激光谐振腔模式的实时切换。

厦门华侨大学Liu所在课题组利用空间光调制器实现了V型折叠数字激光器，结合腔外π/2像散模式转换器，可以实现拓扑荷为-11~12的涡旋光束。

3) 基于泵浦整形产生涡旋结构光

用空间调制器件改变泵浦光束在晶体内的横向分布可控制晶体内增益的空间分布，实现谐振腔输出特定本征模式的控制。

德国威斯特伐利亚威廉斯大学Schepers所在课题组和厦门大学Chen所在课题组分别提出了环形光纤泵浦和数字微镜阵列（DMD）空间增益整形两种实验方案，前者通过控制泵浦光的环形光斑直径实现了0~14阶矢量涡旋光束的输出，后者通过DMD对泵浦光束整形，实现了超过1000种高纯度厄米-高斯模的输出。

2. 腔外调制产生涡旋结构光场

1) 基于腔外液晶调制器件产生涡旋结构光

在腔外使用空间光调制器可以更加灵活地数字化定制标量结构光，主要分为两类技术：在衍射零阶构造目标光场，即双相位全息法(DPH)；在衍射高阶构造目标光场，即计算全息法(CGH)。

如图2所示，前者通过减小相位步长来降低空间光调制器的空间衍射效率，而后者则通过加入高空间频率光栅，增加一阶衍射。此外，对不同的模式叠加不同方向的闪耀光栅生成复用模板，采用复用模板可以使各个模式向不同的方向衍射，产生多光束定制的效果，南非金山大学Rosales-Guzmán所在课题组实现了多达200个空间模式的复用。

图2 CGH方法定制光场模式。(a) 多种定制结构光场；(b) 单空间光调制器调制200个空间模式复用输出

2) 基于腔外模式叠加产生涡旋结构光

矢量光束可以通过模式叠加产生。其主要思路是使用空间光调制器结合腔外的偏振控制和模式叠加技术得到数字化可控矢量光束。

台湾师范大学Lu所在课题组利用空间光调制器产生了多拉盖尔-高斯模叠加光束，然后对该光束进行腔外偏振控制和叠加产生花瓣形高阶庞加莱矢量结构光束。

南非金山大学Rosales-Guzmán所在课题组利用空间光调制器空间多通道复用技术和模式叠加技术获得了多涡旋光束，同时产生了16个不同偏振分布和空间形状的矢量涡旋光束，如图3所示。

图3 腔外模式叠加和多通道复用技术同时产生多矢量结构光束。(a) 实验装置；(b) 原理示意图；(c) 实验结果

3) 基于超构表面涡旋结构光的产生

超构表面是由一系列几何结构经过设计的光学散射体组成的阵列，可在微纳尺度上对光的相位、偏振以及传输方向进行灵活的控制。

香港浸会大学Li所在课题组利用几何相位元件构建的超构表面将自旋角动量转化成轨道角动量，并在实验上证实了两个自旋之间的横向角分裂，实现了自旋霍尔效应的直接观测。

中国科学院光电子学研究所Ma所在课题组利用超构表面将圆偏振光转换为涡旋光，并实现了该涡旋光到单个点的聚焦，如图4(a)所示。

哈佛大学Devlin所在课题组产生了分数和整数阶拓扑荷数的涡旋光束，首次实现了任意轨道角动量的多个共线涡旋光束的同时产生，此外还将左旋和右旋圆偏振光转换为携带独立轨道角动量的涡旋光，如图4(b)所示。

另外，中国科学院光电子学研究所Li所在课题组实现了多波长、不同拓扑荷数、多偏振的复用与解复用。

深圳大学Xie所在课题组利用反向设计的概念设计了结构紧凑的高效垂直轨道角动量发生器，其模式纯度约为97%。

图4 超构表面产生涡旋光。(a)六边形单元超构表面；(b)圆偏振光向两束任意轨道角动量光束的转换

总结与展望

研究人员探索的六种方法各有千秋：

腔内离轴泵浦加腔外像散转换的方法操作简单，成本低，且具有可调控性，可用于集成，但受限于腔内振荡模式，不能实现模式的随意定制，激发的模式有限。

在腔内使用调制元件进行调制的方法虽然可以通过改变调制元件来调制光场，但成本高，且不可任意调控。

利用腔内泵浦整形的方法可以通过设计泵浦得到特定的输出结构光，但对泵浦光整形要求较高，可集成度较低。

在腔外利用空间光调制器的方法可以定制不同的结构光，灵活性高，但不利于集成，成本较高。

利用腔外模式叠加的方法可产生的模式丰富，灵活性较高，且在矢量光的产生方面具有明显优势，但对实验调整的要求较高，同时可集成度较低。

基于腔外等离子体超构表面产生结构光是近几年兴起的一个研究方向，可集成度高，可变性高，对光子角动量的物理研究丰富，对光通信领域的发展和推动具有巨大潜力，但设计复杂，制作成本高。

另外，对涡旋结构光时域、频域、空域等方面参数的拓展，仍具有非常广阔的研究空间：

在空域参数方面，对于维度更高、结构更为丰富的模式的产生，以及具有更高实用性的产生装置的设计，仍需开展进一步的理论与实验研究。

在时域与频域参数方面，未来重要的发展方向包括：利用调Q及锁模技术产生高峰值功率涡旋结构光输出，利用放大技术产生高平均功率涡旋结构光输出，进而利用非线性变换实现涡旋结构光轨道角动量以及光谱拓展等。
 

【延伸阅读】

[1] 蒋广通,张亮亮,吴同,张存林.离轴涡旋光束诱导空气等离子体产生太赫兹波[J].中国激光,2019,46(6):0614026.

[2] 宋巍,刘奂奂,庞拂飞,杨俊锋,张春香,文建湘,商娅娜,黄素娟,陈娜,曾祥龙,王廷云.倾斜锥形微透镜单模光纤激发高阶涡旋光模式[J].中国激光,2019,46(9):0906001.

[3] 赖松陶,兰燕平,毛红行,钱义先.环形阵列艾里涡旋光束的自聚焦特性[J].中国激光,2019,46(4):0405002.

[4] 毛宁,韦宏艳,蔡冬梅,贾鹏.复合涡旋光束拓扑荷数测量的仿真研究[J].中国激光,2019,46(1):0104008.

[5] 魏薇,张羚翔,张志明,唐莉勤,丁镭,李乙钢.三种涡旋光光子晶体光纤的设计[J].光学学报,2019,39(9):0906006.

[6] 骆传凯,卢芳,苗志芳,韩香娥.径向阵列涡旋光束在大气中的传输与扩展[J].光学学报,2019,39(6):0601004.

[7]裴春莹,茅志翔,徐素鹏,夏勇,尹亚玲.涡旋光束轨角动量的一种新型干涉检测方法[J].激光与光电子学进展,2019,56(14):140502.