上海光机所知识创新简报
（第三六六期）2015年3月18日
上海光机所矢量涡旋光束激光器研究取得突破
中国科学院上海光学精密机械研究所信息光电实验室李建郎研究员课题组在新型固体激光器研究中，同时实现了具有矢量偏振和螺旋相位的激光光束输出。相关论文已发表（IEEE J. Sel. Top Quantum Electron., 21, 1600406, 2015; Appl. Phys. B,117, 219, 2014; Chin. Opt. Lett., 13, 031405, 2015）。
矢量、涡旋光束是在光束横截面内同时具有非均匀偏振态和螺旋位相结构的新型激光光束。与其他激光光束相比，矢量光束可被高数值透镜聚焦更小的尺寸，并且在焦点处可形成极强的纵向电场或者纵向磁场，因此在粒子捕获、生物光镊、高分辨率显微镜技术、带电粒子加速以及高精度材料加工等领域有非常重要的应用。而涡旋光束则由于具有螺旋位相，该光束中的光子带有轨道角动量，并可将轨道角动量传递给处于光场中的微粒（分子、原子、电子和等离子体等）上从而导致其沿圆周轨道运动。通过各种方式分别产生矢量光束和螺旋相位光束一直是激光光学研究领域的热点之一，但利用激光器直接输出同时具有矢量偏振和螺旋相位的激光束尚未见报道。
李建郎课题组在研究中，首先利用粗芯径、大数值孔径的多模光纤，通过离焦耦合将激光二极管输出的808纳米多横模激光光束转换为空心光束，然后利用该空心光束从端面泵浦一个微片激光器。该激光器仅由一块掺杂钕离子的钇铝石榴石（Nd:YAG）激光晶体和一个平面输出镜组成，在没有采用任何其他腔内元件的情况下，获得了径向偏振和螺旋相位的连续激光输出。在此基础上，通过在激光器腔内插入一块可饱和吸收晶体，实现了径向偏振和螺旋相位的脉冲输出；并且该激光器在高功率运转时，通过轻触激光腔镜，激光器的脉冲输出可转化为切向偏振，同时光束的螺旋相位特性保持不变。
这种基于空心光束泵浦的微片激光器结构简单，无需任何昂贵元件，同时实现了对输出激光束的偏振态（矢量偏振）和位相（螺旋相位）的控制。这也是首次在激光器中直接输出同时具有矢量偏振和螺旋相位的激光光束。基于该项研究的激光器技术可进一步拓展应用于激光聚变的点火装置。
该研究得到国家自然科学基金支持。（信息光学与光电技术实验室供稿）
图1.可以输出矢量涡旋光束的简单固体激光器
图2.激光器输出的径向偏振光束检偏及干涉获得的螺旋相位图
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