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)室李建郎研究員課題組在新型固體激光器研究中，同時(shí)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(shí)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(dòng)量，并可將軌道角動(dòng)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(dòng)。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(shí)具有矢量偏振和螺旋相位的激光束尚未見報(bào)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(gè)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(gè)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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)具有矢量偏振和螺旋相位的激光光束。基于該項(xiàng)研究的激光器技術(shù)可進(jìn)一步拓展應(yīng)用于激光聚變的點(diǎn)火裝置。
該研究得到國家自然科學(xué)基金支持。（信息光學(xué)與光電技術(shù)實(shí)驗(yàn)室供稿）
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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