前沿 | 基于超构光纤激光器的脉冲偏振涡旋光

研究背景

      涡旋光是一种具有螺旋波前的空间结构光束，具有环形空间强度分布和轨道角动量的特征。这些独特的空间特性推动了量子信息、超分辨率显微镜、光镊等多个领域的研究。在涡旋光束领域，偏振涡旋光束又称圆柱型矢量光束，具有轴对称偏振和场强分布。由于其特殊的偏振分布，偏振涡旋光束在基础研究和实际应用中得到了广泛的应用。此外，涡旋光束在超快激光加工、表面等离子体激发、非线性光-物质相互作用等应用中的操作精度和分辨率与其时域特性密切相关。通过时域裁剪获得的脉冲涡旋光束可以满足高精度的要求，这与超快光学领域对超短脉冲的深入研究非常契合。目前，超快光学领域对超快脉冲的研究主要集中在利用可饱和吸收体（SA）的非线性吸收特性对脉冲进行调制，从而在谐振腔中实现脉冲激光的产生。近年来，通过排布亚波长人工结构，超构表面显著地增强了光与物质的相互作用，实现了电磁波偏振、相位、振幅乃至频率的全面调控，引起了广泛关注。将超构表面与光纤端面结合，形成超构光纤，不仅可以在光纤端面直接利用超构表面的自由操控特性，无需对准耦合，还能确保全光纤谐振腔的高稳定性。然而，如何在考虑时空因素的同时，有效利用超构光纤，从偏振和脉冲两方面任意地构造光束，仍然是一个重大的挑战。

导读

      随着激光加工和表面等离子体激发等非线性光学领域的应用需求日益增长，脉冲偏振涡旋光束作为一种特殊的结构光引起了广泛的研究。通过对光束进行时空调制，可以产生特定的脉冲涡旋光束。然而，现有产生偏振涡旋光束的技术对脉冲性能的控制有限。本文利用等离激元超构光纤等离激元超构光纤与模式转换相结合的全光纤技术，产生了高性能脉冲偏振涡旋光束。利用等离激元超构光纤作为SA产生微秒量级的调Q脉冲激光，同时利用偏移拼接方法将基模（LP₀₁）部分转换为高阶模（LP₁₁）。最终，在通讯波段实现了重复频率为116 kHz的脉冲偏振涡旋光束激光器，并系统地研究了超构光纤周期和拼接偏移量等几何参数对脉冲偏振涡旋光束时空特性的影响。

主要研究内容

      为了使超构光纤的可饱和吸收特性在通讯波段发挥出最佳效果，本文通过三维有限元软件COMSOL Multiphysics 6.0模拟了超构光纤的谐振光谱及电场分布。随后，使用物理气相沉积（PVD）技术进行金膜沉积，并采用聚焦离子束刻蚀（FIB）技术在光纤端面进行纳米眼超构光纤的制备。研究了超构表面不同周期结构下的非线性光学特性研究，在825 nm、850 nm、875 nm、900 nm周期下，测得1.44 MW/cm²的饱和吸收强度，最高调制深度12.9%。采用最高调制深度的的超构光纤（周期为825 nm），将其置于光纤激光器中，在保证全光纤高稳定性的前提下实现中心波长1559 nm、脉宽1 μs、重复频率116 kHz、信噪比40 dB的调Q脉冲激光输出。基于波导模式电场分布，通过数值计算，发现激发高阶模的最佳偏移量为4.5 μm，并分析了偏移熔接点前后的光纤内模式分布状态。由于周期为825 nm的超构光纤作为SA时可获得最高能量的脉冲激光源，因此利用偏移拼接方法将该超构光纤与两模光纤偏移熔接，以激发高阶模。最后，通过偏振控制器实现脉冲偏振涡旋脉冲的产生，并进一步实现径向和角向偏振光束的调控和转化。

技术突破与创新

      通过在单模光纤跳线的纤心区域，集成等离激元纳米眼超构表面，从而获得等离激元超构光纤。纳米眼由纳米盘和纳米孔同心复合而成，可提供杂化的等离激元模式，显著增强了光与物质相互作用。图1(a)为使用全光纤反射率测试系统测量的超构光纤反射光谱。插图为超构光纤纳米眼结构被谐振激发时在x-y平面上的电场分布。采用自制非线性测试系统进一步测量纳米眼超构光纤的非线性透射率。随着输入功率的不断增加，各周期的超构光纤透射谱呈现出典型的饱和吸收曲线，饱和吸收强度为1.44 MW/cm²，最大调制深度可达12.9%，如图1b所示。与传统的SAs相比，超构光纤的调制深度更高，有利于低饱和强度的脉冲调制。

      脉冲强度对后续脉冲偏振涡旋光束生成的效率、质量、稳定性有着重要影响。通常要求超过产生脉冲偏振涡旋光束的阈值，才能激发稳定的脉冲偏振涡旋光束。因此，为了获得最高的脉冲强度，选择周期为825 nm的超构光纤作为SA，从而产生调Q脉冲激光。基于波导模式电场分布，通过数值计算，研究了激发高阶模的最佳偏移量为4.5 μm，并在实验中获得高纯度的脉冲偏振涡旋光束。在脉冲偏振涡旋光束和CCD之间增加不同偏振方向的线偏振片，检测脉冲偏振涡旋光束的偏振状态，如图2所示。通过偏振调节，可以实现径向和角向偏振光束的转化。

观点评述

      本工作提出并证明了一种利用等离激元超构光纤与模式转换方法相结合的全光纤技术，该技术可有效产生脉冲偏振涡旋光束。利用超构光纤的等离激元特性，获得了最大调制深度为12.9%的优质SA，从而实现了调Q脉冲激光的产生。采用偏移拼接方法将部分基模光束转换为高阶模，得到脉冲持续时间为1 μs、重复频率116 kHz的脉冲偏振涡旋光束。借助详实的理论计算和实验验证，本工作建立并给出了定量调节脉冲偏振涡旋光束的时空特性的方法（通过调整超构表面周期和熔接偏移量）。这项工作不仅促进了超快光学领域对超构光纤的深入研究，而且提高了其在空间结构光中的应用，为下一代超快脉冲激光源奠定了基础。

主要作者介绍

      付博，2015年于清华大学获博士学位，并于剑桥大学从事博士后研究，2018年入职北京航空航天大学，任副教授、博士生导师、小米青年学者。迄今为止发表论文90余篇，申请发明专利20余项。研究方向包括超快激光、纳米材料、微纳光子学。

      王纪永，2017年获得德国图宾根大学和法国特鲁瓦技术大学双博士学位。在法国勃艮第大学从事一年的博士后研究后，2018年在西湖大学担任助理研究员，2022年入职杭州电子科技大学担任特聘教授。迄今为止发表SCI论文30余篇论文。研究方向包括微纳光电子器件设计及集成、水下光通讯及光学成像、衍射光学器件设计及智能终端应用。

      仇旻，国家杰出青年基金获得者、美国光学学会理事会（扩大）理事、国际光学工程学会会士（SPIE Fellow）、国际电气和电子工程师协会会士（IEEE Fellow）、中国光学学会会士（COS Fellow）、中国光学工程学会会士（CSOE  Fellow)、中国电子学会会士（CIE Fellow）。现任西湖大学国强讲席教授、副校长。主要研究方向为微纳光电子学，包括微纳加工技术及仪器装备、微纳光子理论及光电器件、面向智能应用的关键理论与技术等。2017和2020年作为项目负责人分别牵头“纳米科技”国家重点研发计划项目和国家重大科研仪器研制项目（自由申请类）。2022年7月荣获2021年度浙江省自然科学奖一等奖。

• PhotoniX 属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。是中国光学工程学会会刊，由中国光学工程学会、清华大学、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编。期刊拥有强大的国际编委和编辑团队。PhotoniX 主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

• PhotoniX 已被SCI、EI、SCOPUS、DOAJ、ProQuest、CNKI、INSPEC、Dimensions等10多个数据库收录。2022年6月获得首个影响因子19.818，位列Q1区。同时进入《2022年中国科学院文献情报中心期刊分区表》，位列物理与天体物理大类和光学小类双一区，为Top期刊。中国科协首次颁布“光学工程和光学领域高质量期刊目录”PhotoniX 位列T1级。
  

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