单晶光纤中飞秒光涡旋的直接放大

给定螺旋相位波前，光可以沿着其传播轴携带lℏ的轨道角动量，其中方位角模式指数，可以是包括正负的任何整数。因此，光轨道角动量可以比常规自旋角动量大许多倍，使得产生不同领域的新应用，如光学操纵、高维量子纠缠以及超分辨率荧光显微术。除了空间结构的振幅和相位，飞秒时间结构揭示了光与物质相互作用中光学涡旋的新潜力，例如通过高次谐波产生阿秒涡旋、三维手征微结构的制作、新型超连续谱产生及涡旋传播动力学。用于产生飞秒光学涡旋的常用方法包括在预先存在的TEM₀₀模式上压印螺旋相位（2πl），在厄米-高斯（HG_n,m）模式中引入额外的高相位移，探索源解决方案。然而，这些方法仍远远不实用，主要由于其固有的有限的功率处理能力，因此，需要使用放大器系统来进一步调节功率。

因此，在传统的体放大器、复杂的多通或带有泵浦光定制的再生放大器中，甜甜圈形状的涡旋和泵浦光之间的固有模式不匹配被用于在低重复率下产生高峰值功率视场。这些方法在低阶光轨道角动量状态（l≤2）中是成功的， 因为高阶光轨道角动量具有更大但更薄的甜甜圈空间轮廓的高阶的光轨道角动量效率降低。此外，获得高能量需要啁啾脉冲放大，而在脉冲扩展或压缩器中，光涡旋的空间特性将不可避免地受到影响。在啁啾脉冲光学参量放大中，情况非常相似，其中两个波的放大进一步钳制了效率，导致平均输出功率的下限。光纤放大器是一个明显的替代方案，但由于传统光纤中的模式耦合或扰动，挑战似乎更加艰巨。基于新型结构光纤的方法已被用于连续波状态下的涡旋放大，例如带有气孔的环芯结构 、基于大模面积光纤的光子灯以及多芯光纤中单独放大光束的相干组合 。然而，放大模式仍是最低阶光轨道角动量状态；此外，在飞秒时间域下，由非线性效应和空间相位畸变引起的从未被考虑过。因此，视场的放大，特别是高阶光轨道角动量状态的放大，仍是一个开放的挑战，利用具有紧凑和坚固结构的新型放大器定义了一个有前途的方向，该方向最近才开始受到关注。

最近，研究人员提出了一种单晶光纤增强器，可直接放大飞秒光学涡旋，具有保存完好的时间和空间特性。然而，作为概念验证，最初的工作只关注最低阶光轨道角动量状态且没有定量分析扩增模式的模式纯度。注意，单晶光纤作为一个术语在某种程度上具有误导性，它代表了直径为≤1 mm、长度为几厘米的薄晶体棒，为泵浦光提供波导，但种子激光束具有自由空间传播。

为了减轻双通道单晶光纤放大配置中的强度依赖性和严重的脉冲展宽 ，研究人员采用了两级单通道扩增链。图1为实验装置，其中种子源是一个商用飞秒激光放大器，工作波长为1026 nm（脉冲持续时间为120 fs；重复频率为1 MHz）。光学涡旋 （|l|= 8） 通过熔融二氧化硅基螺旋相位板将螺旋相压印到预先存在的基光束上而产生，总步长为 512。注意，l=8且径向p≠0 ，模式的总模态权重理论上为32%，导致多外环结构，如插图1所示。穿过针孔后，不需要的外环被有效地堵塞，从而产生相当干净的强度曲线作为种子；然后，通过透镜将种子光束聚焦到测得光斑直径为420 μm的单晶光纤中。第一级采用掺杂1% Yb³⁺的30 mm长的钇铝石榴子石晶体（直径为970 μm），在 632.8 nm 处传输损耗为2.8 dB，相应的泵浦源是940 nm处的150 W光纤耦合半导体激光管 。经过二向色镜反射后，放大的飞秒光学漩涡使用由焦距为100 mm的L3和焦距为175 mm的L4组成的升级系统成像到光斑直径为630 μm的第二个放大器级中。在此阶段采用具有相同掺杂剂浓度和直径的较长单晶光纤在915 nm处用210 W光纤耦合（135 μm 芯径）半导体激光器泵浦。为了减轻热效应，两个单晶光光纤都在专门设计的铝制模块中直接进行冷却。最后，使用高分辨（0.02 nm）率光谱分析仪、二次谐波器件、相机和功率计来表征空间和时间特征。

马赫-曾德尔干涉仪的一个臂上有一条延迟线，用来获得干涉图和相应的相位信息。如图1所示。使用L7 (f=25.4 mm)将参考光束转换成球面波，使得同轴干涉能够产生螺旋条纹。由于与涡旋光束相比，参考光的波前曲率更大，所以顺时针螺旋条纹表示负的光轨道角动量状态，它可以在每次反射后容易地转换。通过二维傅里叶变换和傅里叶逆变换，可以从叉形干涉图中恢复飞秒光学漩涡的相位。离轴干涉通过适当地使两束光不重合来实现，在另一个臂上插入一个附加透镜(L6，f=100 mm)来提升光束。

由于与种子激光器相比，它的发散度更大，种子激光器在单晶光纤中经历自由空间传播，因此，泵浦光被设计为波导。通过光线追踪分析了泵浦光在单晶光纤内的传播动力学，所得分布如图2所示。在第一级放大器中，泵浦光束聚焦到单晶光纤的前部，光斑直径为420 μm，与种子光束尺寸非常匹配。如图2 所示。在最初的聚焦过程中，光束发散，但随后通过全内反射被限制，引导它到光纤端，产生两个光学瑞利范围。在第二阶段的单晶光纤中，情况非常相似[图2(b)]，其中采用了660 μm的焦径来匹配种子。对于泵和种子来说，选择更大的光束尺寸可以减轻涂层损坏的风险，并提高产生的临界功率。相应的轴上强度沿单晶光纤的依赖关系，如图2(c)所示。高强度分布的片段，有效地延长了增益区域。值得注意的是，在这两种情况下，横向空间强度分布在沿单晶光纤的不同位置保持方位角均匀性。因此，与传统的棒状放大器相比，具有方位均匀泵浦强度分布的离散通道的存在为光学涡流的放大提供了有利条件，传统的棒状放大器中，这部分有源元件通常会导致准三能级掺镱激光系统在激光波长处发生重吸收。

首先，研究人员研究了单通道视场放大一级的功率提升能力。图3(a)显示了种子级别上这种阶段独立性的性能。2 W种子的平均输出功率最高，为12.5 W。注意，视场在中直接放大，没有任何脉冲拉伸和压缩。在1小时内评估相应的功率稳定性。从图3(b)中可以看出，RMS的稳定性为0.23%，表明功率提取稳定。图3(c)-(h)显示了12.5 W下2 W种子和放大视场的强度分布图和相应的自推理模式。与种子相似，放大视场远场强度分布呈现出环状空间形状，无热致畸变。此外，如图3(d)所示，种子束中由非零径向折射率（p≠0）模式产生的多重外环结构在放大过程中被空间滤除[图3(g)]，这是由于在通过单晶光纤外围部分时，较大的散度导致较低的增益甚至重吸收。自干涉图中清晰的顺时针螺旋条纹[图3(h)]表明视场的波前由于在单晶光纤中的自由空间传播而得到了很好的保守性。

为了增加增益，首先通过四分之一波片和反射镜测试了具有第一个单晶光纤的双通配置。对于0.1 W的种子，在70W的吸收泵浦功率下获得30的增益，比在相同泵浦能级下的单程放大高大约5倍。然而，在这种情况下，脉冲的严重光谱变窄和时间变宽。此外，当进一步增加泵浦功率时，在反射镜和单晶光纤入射面上的损伤点之间出现寄生激光振荡。

因此，为了保持时间特性，研究人员采用了两级放大器系统来进一步调节功率。为了减轻热效应并避免单晶光纤损坏的风险，更长（40 mm）的单晶光纤和915 nm泵浦源与940 nm相比吸收截面更低被用于第二阶段。如图3(a)所示，在第二级的输出端获得了23 W的最大平均功率，相当于1 MHz时23 μJ的单脉冲能量。图3(b)显示在输出电平为19 W（长期工作的安全功率电平）时，第二放大器级的测量功率稳定性估计为0.55% 。这种稳定性证明了整个单晶光纤放大器系统的整体性。10.3 W种子和放大后的23 W视场的空间特征，如图3(i)-(n)所示。在单晶光纤的横截面上，由于Yb³⁺离子的分布不均匀，所以没有出现明显的光束畸变，方位角强度分布也不均匀。在高输出功率水平（>15 W）时，出现了一个微弱的小中心光斑[图3(l)]，这可能由放大的剩余模式衍射引起。然而，近场光束轮廓[图3(m)]呈现出干净的甜甜圈强度分布，奇异噪声对比度>20 dB，图3(n)的干涉图显示出清晰的螺旋条纹。良好的空间守恒特性也证实了这种高阶视场的单晶光纤放大器系统具有直接的功率提升能力。

图4(a)显示了两级单晶光纤放大器中的光谱演变。在种子能级为2 W的第一级放大器中，没有观察到非线性光谱展宽，光谱大致保持其原始带宽。随着功率的增加主峰的轻微光谱变窄是由于增益变窄效应。这种光谱窄化效应对于低功率播种或者当采用双通配置时是显著的。图4(b)显示了检索到的时间和光谱剖面图。在第一级输出功率为12.5 W时视场的相应相位信息。由于30 mm长的Yb:YAG单晶光纤的群延迟色散（2000 fs），导出的脉冲持续时间为130 fs，略长于种子脉冲宽度。在第二放大器级，视场由于自相位调制而经历了明显的光谱展宽。从图4(a)中可以看出，随着泵浦功率的增加，这种非线性谱展宽更加明显。在最高平均输出功率为23 W时，10%水平下的光谱范围为990-1040 nm。相应的时间特征，如图4(c)所示。脉冲持续时间增加到163秒。然而，由于自相位调制导致的光谱展宽表明了通过使用具有高色散镜进行后续脉冲压缩的可能性。这对于没有拉伸和压缩的传统石英光纤镱放大器来说是一个挑战，这再次强调了单晶光纤用于放大高阶飞秒光学漩涡的可行性。

为了可视化相位结构，研究人员重新绘制了分叉干涉图。通过离轴进行电缆连接。图5(a)和(b)显示了第1个扩增阶段后的12.5 W 飞秒光学涡旋的强度和相应的干涉图。9个清晰的明亮条纹表明高纯度模式。随后，利用二维傅里叶变换和傅里叶反变换从干涉图中检索出空间相位结构。如图5(c)所示，8个具有2π相变的切片再次确认了8ℏ的轨道角动量状态。在第二个放大阶段后的最高输出功率为23 W时，也观察到类似的情况。图5(d)-5 (f)表明整个自洽场放大器系统的空间强度和相位结构都具有很好的守恒性。

为了进一步评估放大视场的模态纯度，研究人员通过函数分解激光束，计算相对模态加权：

在图5(g)中，在第一级和第二级放大的飞秒光学涡旋光束中，具有-8ℏ的轨道角动量模态，分别为97.3%和96%。这种高权重证明了放大后模态纯度的降低可以忽略不计，并证实了自洽场放大器系统直接放大视场的潜力。