北理工團隊在復雜結構光束內腔直接生成方面取得重要進展
發布日期：2022-03-22 供稿：光電學院
編輯：盛筠 審核：董立泉 閱讀次數：近日，光電學院的張子龍副研究員與其所在趙長明教授團隊的成員，聯合清華大學柳強教授團隊、美國亞利桑那州立大學李向家教授團隊，研究了基于橫模鎖定結構光束的內腔非線性頻率變換理論與技術，采用具有三明治構型的微型激光諧振腔實現了具有復雜空間結構的綠光輸出。該研究為微腔直接生成結構光束及實現其腔內非線性頻率變換做了創新性工作。該項研究成果發表于中國激光雜志社旗艦刊物Advanced Photonics，題為：Second harmonic generation of laser beams in transverse mode locking states. 同時，研究成果也被SPIE（國際光學工程學會）及PHYS.org（世界科技研究新聞咨詢網）分別以新聞形式進行報道。
空間結構光束的產生及其非線性頻率變換是激光技術和光場調控技術領域的熱點研究內容。對于結構光束的產生，分為腔外調控和腔內諧振兩種技術途徑。腔外調控技術有多種光學元件能夠實現高斯光束向空間結構光束的轉換。腔內諧振產生技術可直接通過調節泵浦源或諧振腔結構生成高階橫模及其疊加態，從而構成渦旋光束或包含光渦旋陣列的結構光束。近年來，對結構光束的相關研究逐步擴展向了非線性頻率變換領域。目前，空間結構光束的非線性頻率變換還主要以腔外調控技術為主，采用腔內頻率變換產生結構光束諧波的研究近兩年開始獲得關注。
研究工作創新性的探索了諧振腔內橫模鎖定結構光束的二次諧波產生現象，通過理論仿真與實驗驗證為大家介紹了橫模鎖定結構光束的頻率變換效果，并呈現了眾多前所未見的綠光結構光束。圖1是倍頻光生成的理論分析及仿真，證明了橫模鎖定光束與未鎖定光束的非線性頻率變換后諧波光強分布具有明顯區別，且可以據此判斷基頻光的模式鎖定狀態。
圖1. 橫模鎖定與未鎖定狀態下的二倍頻仿真分析
實驗設計了具有三明治構型的被動調Q及倍頻微片諧振腔。該設計能夠在保證大菲涅爾數泵浦的條件下提供足夠的非線性頻率變換增益。通過控制泵浦光與晶體微片的相對位置來選擇諧振腔內振蕩的基頻模式。利用上述微片諧振腔，可以實現基于多種拉蓋爾高斯（LG）及厄密高斯（HG）模式鎖定狀態下的倍頻輸出。通過調整泵浦光在微片上的入射角度和距離，能夠改變腔內振蕩的基頻模式和鎖定相位，從而獲得類型豐富、結構新穎復雜的綠光光束，如圖2、圖3所示。
圖2. 由LG 模式組成的橫模鎖定基頻光和相應的倍頻光實驗結果
圖3. 由HG 模式組成的橫模鎖定基頻光和相應的倍頻光實驗結果
以上研究工作在激光探測、激光空間通信、光學粒子操控、及光學三維打印等領域具有重要應用價值。接下來該團隊還將進一步就系統效率、輸出功率、光譜拓展等方面開展探索，并嘗試開展相關技術領域的應用研究。
Advanced Photonics期刊聚焦熱點，始終以引導重大科學成果傳播發展為導向。自2019年創刊起所有文章已被Science Citation Index Expanded (SCIE)數據庫收錄，預計第一個JCR影響因子將于2022年6月公布，并將進入全球光學期刊前5行列。
論文索引信息：
Zilong Zhang*, Yuan Gao, Xiangjia Li, Xin Wang, Suyi Zhao, Qiang Liu, Changming Zhao. Second harmonic generation of laser beams in transverse mode locking states[J]. Advanced Photonics, 2022, 4(2): 026002
論文全文下載地址：
https://www.researching.cn/articles/OJ78b0f90aabdcc51d
SPIE網站新聞鏈接：
https://spie.org/news/direct-generation-of-complex-structured-light?SSO="1
PHYS.org網站新聞鏈接：
https://phys.org/news/2022-03-complex.html
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