中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所信息光電實(shí)驗(yàn)室研究員李建郎課題組在新型固體激光器研究中，同時實(shí)現(xiàn)了具有矢量偏振和螺旋相位的激光光束輸出。相關(guān)論文已發(fā)表（IEEE J. Sel. Top Quantum Electron., 21, 1600406, 2015; Appl. Phys. B,117, 219, 2014; Chin. Opt. Lett., 13, 031405, 2015）。
矢量、渦旋光束是在光束橫截面內(nèi)同時具有非均勻偏振態(tài)和螺旋位相結(jié)構(gòu)的新型激光光束。與其他激光光束相比，矢量光束可被高數(shù)值透鏡聚焦更小的尺寸，并且在焦點(diǎn)處可形成極強(qiáng)的縱向電場或者縱向磁場，因此在粒子捕獲、生物光鑷、高分辨率顯微鏡技術(shù)、帶電粒子加速以及高精度材料加工等領(lǐng)域有非常重要的應(yīng)用。而渦旋光束則由于具有螺旋位相，該光束中的光子帶有軌道角動量，并可將軌道角動量傳遞給處于光場中的微粒（分子、原子、電子和等離子體等）上從而導(dǎo)致其沿圓周軌道運(yùn)動。通過各種方式分別產(chǎn)生矢量光束和螺旋相位光束一直是激光光學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，但利用激光器直接輸出同時具有矢量偏振和螺旋相位的激光束尚未見報道。
李建郎課題組在研究中，首先利用粗芯徑、大數(shù)值孔徑的多模光纖，通過離焦耦合將激光二極管輸出的808納米多橫模激光光束轉(zhuǎn)換為空心光束，然后利用該空心光束從端面泵浦一個微片激光器。該激光器僅由一塊摻雜釹離子的釔鋁石榴石（Nd:YAG）激光晶體和一個平面輸出鏡組成，在沒有采用任何其他腔內(nèi)元件的情況下，獲得了徑向偏振和螺旋相位的連續(xù)激光輸出。在此基礎(chǔ)上，通過在激光器腔內(nèi)插入一塊可飽和吸收晶體，實(shí)現(xiàn)了徑向偏振和螺旋相位的脈沖輸出；并且該激光器在高功率運(yùn)轉(zhuǎn)時，通過輕觸激光腔鏡，激光器的脈沖輸出可轉(zhuǎn)化為切向偏振，同時光束的螺旋相位特性保持不變。
這種基于空心光束泵浦的微片激光器結(jié)構(gòu)簡單，無需任何昂貴元件，同時實(shí)現(xiàn)了對輸出激光束的偏振態(tài)（矢量偏振）和位相（螺旋相位）的控制。這也是首次在激光器中直接輸出同時具有矢量偏振和螺旋相位的激光光束?；谠擁?xiàng)研究的激光器技術(shù)可進(jìn)一步拓展應(yīng)用于激光核聚變的點(diǎn)火裝置。
該研究得到國家自然科學(xué)基金支持。
圖1. 可以輸出矢量渦旋光束的簡單固體激光器
圖2.激光器輸出的徑向偏振光束檢偏及干涉獲得的螺旋相位圖
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