研究背景

空間結(jié)構(gòu)光場具有空間相位及偏振態(tài)分布特性，在超分辨成像、微粒操控、非線性光學(xué)以及大容量光通信等領(lǐng)域有著重要的研究價值。通常采用空間光調(diào)制器(SLM)、相位螺旋板和q板等器件產(chǎn)生矢量光場，然而往往受器件的功率、熱損傷閾值和光能量利用率等限制，此外還存在價格昂貴、空間光路結(jié)構(gòu)復(fù)雜和易受環(huán)境干擾等問題。基于空間光路的光場調(diào)控方案產(chǎn)生的新型光場平均功率、脈沖能量和峰值功率等，性能上已經(jīng)遇到了瓶頸。

超短激光脈沖微加工已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。相比于高斯光束，環(huán)形柱矢量光束具有中空強度分布，可以用于特殊激光切割場景，如IPG和飛博激光推出的商用環(huán)形激光器。在光纖激光系統(tǒng)中基于光纖本征模式的光場調(diào)控和模式相干控制，為新型光場調(diào)控提供了新的思路。光纖中不同高階矢量模場是光纖本征模式，其能夠在光纖中穩(wěn)定有效地傳輸，抗干擾能力強，同時具有全光纖結(jié)構(gòu)緊湊、制作簡單、成本低廉、損耗低等優(yōu)點。目前光纖模式轉(zhuǎn)換器主要基于少模光纖中產(chǎn)生和傳輸高階模式，具體方式有錯位激發(fā)、光柵模式耦合、光纖倏逝場耦合以及聲光模式耦合這幾類。

研究亮點

針對以上問題，近年來上海大學(xué)特種光纖重點實驗室曾祥龍教授課題組，提出將光纖模式器件（模式選擇耦合器、聲致光柵和寬帶長周期光柵等）與光纖激光技術(shù)相結(jié)合，通過腔內(nèi)高階橫式參與激光振蕩，實現(xiàn)可見光到近紅外激光中產(chǎn)生高階橫模的激光鎖模技術(shù)，能產(chǎn)生具有不同偏振分布的柱矢量和渦旋光束。課題組已經(jīng)在1.5 μm和1.0 μm激光波段以及可見光波段實現(xiàn)了光纖模式選擇耦合器，利用光纖中高階模式矢量特性產(chǎn)生環(huán)形光場和渦旋光場。

圖1 (a) 基于級聯(lián)MSC的鎖模摻鐿光纖激光器示意圖；(b) 線偏振LP11模場、環(huán)狀渦旋光場分布及其一階拓?fù)鋽?shù)干涉圖樣；(c) 級聯(lián)MSC的纖芯模式轉(zhuǎn)換示意圖

圖2 腔內(nèi)高階模式振蕩輸出的鎖模光譜和脈沖序列

研究團(tuán)隊提出了一種可以實現(xiàn)光纖高階模式（HOM）在激光腔內(nèi)振蕩的鎖模摻鐿光纖激光 器 1。通過使用一對級聯(lián)的模式選擇耦合器（MSC）作為有效的模式轉(zhuǎn)換器，在1.0 μm波長處獲得腔內(nèi)HOM振蕩的光纖鎖模激光。該方法能夠在少模光纖腔內(nèi)摻鐿光纖激光器實現(xiàn)鎖模脈沖，并在腔內(nèi)激光振蕩純度高的高階模式脈沖激光。

另外，MSC也可以應(yīng)用到可見光波段(400–800 nm)。STED顯微技術(shù)中環(huán)狀光束大多數(shù)采用自由空間光器件產(chǎn)生，此方法成本高、穩(wěn)定性差，需要空間傳輸中損耗光和激發(fā)光束嚴(yán)格重合，且光路準(zhǔn)直操作復(fù)雜。而全光纖結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生機(jī)制具有結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性強和成本低等優(yōu)勢，對于環(huán)狀光束的激發(fā)具有重要的研究意義。

課題組還制備了可見光波段的全光纖模式選擇耦合器(MSC)，并將其作為環(huán)狀光束的產(chǎn)生器件以及任意波長高斯光束的復(fù)用器件，輸出的光束具有嚴(yán)格光束復(fù)用特性。此外，還進(jìn)行了共聚焦顯微實驗，測量了環(huán)狀光束的點擴(kuò)散函數(shù)，其高消光比驗證了光纖MSC可作為STED顯微術(shù)中的光源2。光纖MSC具有的高緊湊性、高穩(wěn)定性和光束空間嚴(yán)格重合特性，可應(yīng)用于全光纖STED顯微光源系統(tǒng)。

可見光MSC的單模端可采用不同波長耗散光的基模輸入，經(jīng)過MSC轉(zhuǎn)化為損耗光環(huán)狀光束并從FMF輸出端輸出，未發(fā)生模式轉(zhuǎn)化的能量從單模光纖輸出端輸出，激發(fā)光基模從MSC的少模光纖端輸入，經(jīng)過MSC與激發(fā)光復(fù)用并一起從少模光纖端輸出，光束還是基模分布。圖3給出了可見光MSC輸出不同波長波段的環(huán)狀光束、高斯光束以及兩光束復(fù)用的光場分布。實驗獲得了環(huán)狀光束的點擴(kuò)散函數(shù)，其半高全寬為182 nm。

圖3 可見光MSC的光束復(fù)用工作機(jī)理及其輸出特性表征

下一步課題組將通過光纖模式系統(tǒng)實現(xiàn)不同特性的光場調(diào)控，相比于空間光路系統(tǒng)，具有高靈活性和高穩(wěn)定性，研究高功率激光空間結(jié)構(gòu)光場和光纖STED環(huán)形光束產(chǎn)生傳輸應(yīng)用。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、上海市科委項目和東方學(xué)者項目的資助。

參考文獻(xiàn)

1. 堯涵, 石帆, 黃譯平, 等. 基于模式耦合器的鎖模摻鐿光纖激光器[J]. 光電工程, 2020, 47(11): 200040；Yao H, Shi F, Huang Y P, et al. Mode-locked Yb-doped fiber laser based on mode coupler[J]. Opto-Electronic Engineering, 2020, 47(11): 200040.

2. Yao H, Shi F, Wu Z Y, et al. A mode generator and multiplexer at visible wavelength based on all-fiber mode selective coupler. Nanophotonics, 2020, 9(4): 973-981.

研究團(tuán)隊簡介

上海大學(xué)特種光纖重點光纖實驗室曾祥龍教授，現(xiàn)任上海市高校特聘教授（東方學(xué)者），曾獲得歐盟“瑪麗居里”國際來訪學(xué)者、上海市“曙光”學(xué)者人才計劃、上海大學(xué)優(yōu)秀青年教師和日本學(xué)術(shù)振興學(xué)會（JSPS）外國人特別研究員。其課題組主要從事非線性超快光學(xué)、特種光纖器件及其傳感技術(shù)的研究。近年來，在Nanoscale, OpticsLetters, Photonics Research, Nanophotonics, Applied Physics Letters, Optics Express 等國際學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表期刊論文60余篇。