【《支持OAM光束输出的光纤激光器研究文献综述》2000字】

支持OAM光束输出的光纤激光器研究文献综述光学涡旋光束是具有螺旋相位波前的空间结构光束，由相位因子exp(jmψ)描述，m为拓扑荷数，代表每个光子携带mℏ大小的轨道角动量，ψ表示方位角，ℏ表示约化普朗克常数。由于涡旋光束具有相位奇点，因此它们具有圆环形的空间轮廓，在中心处具有零强度。由于环形空间结构和OAM特性，轨道角动量光束在光学镊子[17]，原子操纵[18]，纳米级显微镜[19]、量子信息处理[20]和光通信[21]中发现了多种应用。在独特的性质和各种应用的驱动下，已经进行了许多尝试来产生OAM光束，主要分为两类：一类是被动方式，在腔外使用模式转换器将基模高斯光束转换为OAM光束，如螺旋相位板[22]，空间光调制器[23]，衍射相位全息图[24]，微环谐振器[25]，超材料[26]，q板[27]等；另一类是主动方式，直接从激光腔获得OAM光束，这种主动方式在近几年引起了人们的兴趣。与数字激光器和固态激光器相比，全光纤激光器由于具有功率可扩展性，高激光效率，高信噪比，无需外部光源，高灵活性的优势而引起了人们的极大兴趣。对于具有OAM光束输出的激光器，有两个关键点：一是模式转换器，将基模转换成高阶模式；二是相位差调节，使具有正交偏振方向的两个矢量模式产生±π/2的相位差。在过去几年中，已经报道了一些能够产生OAM光束的全光纤激光器。2015年9月，华中科技大学的ShuhuiLi等人提出了一种可控，可扩展，低成本，多功能的全光纤轨道角动量转换器[28]，能够将SMF输入的LP01模式转换为LP11a，LP11b，OAM-1或OAM+1模式，其结构如图1.4(a)所示。该转换器主要包括机械长周期光栅，机械旋转器，金属平板和光纤偏振控制器。LPG用于将基模转换为高阶模式，一对75mm的金属平板用于对TMF施加应力以调整两个正交高阶模式之间的相位差。通过调节旋转器，输出LP11光束可以是LP11a，LP11b或具有任意方向的LP11光束；当适当调节加载在金属平板上的压力和在平板之前LP11模式的方向时，可以在TMF的输出端处实现OAM光束。通过使用支持更多模式的少模光纤和具有适当光栅周期的新型LPG，所提出的模式转换器也可以用于产生高阶OAM模式，但是通过调节施加到LPG的应力实现腔内模式转换的方式，控制难度大，实际操作困难。2016年11月，上海大学特种光纤与光接入网重点实验室的YunheZhao等人展示了一种基于两模光纤长周期光栅的全光纤激光器来产生轨道角动量光束[29]，激光器结构如图1.4(b)所示。通过调整腔内偏振控制器优化HE21e和HE21o模式之间的相位差，激光器能够成功地产生斜率效率分别为4.31%和4.25%的两个1阶OAM光束。为实现更高阶的OAM模式，2018年4月，YunheZhao等人在阶跃折射率四模光纤上刻写LPG[30]，基于四模光纤的LPG作为激光腔内的模式转换器实现从LP01模到LP2017年1月，北京交通大学的ShuzhiYao等人提出了一种基于由单模光纤和双模光纤组成的全光纤融合耦合器产生具有可调拓扑电荷的轨道角动量光束的方法[31]，其原理结构如图1.4(c)所示。MSC用作腔内模式转换器，将基模转换为高阶模式。通过调整设置在TMF远端的偏振器，可以将OAM的拓扑电荷从m=-1平滑调整到m=+1。但是，通过该激光器获得的OAM模式纯度只有60%左右。2018年1月，上海大学的TengWang等人实验证明了一种基于模式选择性耦合器的高阶脉冲涡旋光束输出光纤激光器[32]，激光器结构如图1.4(d)所示。插入腔内的熔融SMF-FMF耦合器起着从LP01模到LP11模或LP21模的宽带模式转换作用，两台PC和偏振相关隔离器实现非线性偏振旋转锁模。通过旋转PC3并适当调节压力，两个矢量模式可以实现π/2相移，输出是具有圆形对称环形强度分布和螺旋相位前沿的OAM光束。所提出的全光纤激光器可以成功获得拓扑电荷为±1和±2的飞秒光学涡旋光束，这是第一次在锁模光纤激光器中产生高阶脉冲涡旋光束。图1.4支持OAM光束输出的光纤激光器结构(a)基于机械LPG的全光纤轨道角动量光束转换器[28](b)基于LPFG的产生轨道角动量光束的全光纤激光器[29](c)基于MSC产生可调轨道角动量光束输出的全光纤激光器[31](d)基于MSC的具有高阶光学涡旋光束输出的锁模光纤激光器[32]参考文献[1]RichardsonDJ.FillingtheLightPipe[J].Science,2010,330(6002):327-328.[2]ChanglongXu,KeYan,ChunGu,etal.All-fiberlaserwithflattopbeamoutputusingafew-modefiberBragggrating[J].OpticsLetters,2018,43(6):1247-1250.[3]YipingHuang,FanShi,TengWang,etal.High-ordermodeYb-dopedfiberlasersbasedonmode-selectivecouplers[J].OpticsLetters,2018,26(15):19171-19181.[4]TingtingYan,YouchaoJiang,HaisuLi,etal.Switchabledual-modeall-fiberlaserbyusingLPGandFBG[C].AsiaCommunicationsandPhotonicsConference(ACP),2018.[5]NingWang,J.C.AlvaradoZacarias,J.EnriqueAntonio-Lopez,etal.Transversemode-switchablefiberlaserbasedonaphotoniclantern[J].OpticsLetters,2018,26(25):32777-32787.[6]L.Novotny,M.R.Beversluis,K.S.Youngworth,etal.Longitudinalfieldmodesprobedbysinglemolecules[J].PhysicalReviewLetters,2001,86(23):5251.[7]H.Kavauchi,K.Yonezawa,Y.Kozawa,etal.Calculationofopticaltrappingforcesonadielectricsphereintherayopticsregimeproducedbyaradiallypolarizedlaserbeam[J].OpticsLetters,2007,32(13):1839-1841.[8]M.Meier,V.RomanoandT.Feurer.Materialprocessingwithpulsedradiallyandazimuthallypolarizedlaserradiation[J].AppliedPhysics,2006,86(3):329-334.[9]J.L.Li,K.Ueda,M.Musha.GenerationofradiallypolarizedmodeinYbfiberlaserbyusingadualconicalprism[J].OpticsLetters,2006,31(20):2969–2971.[10]M.P.Thirugnanasambandam,Y.Senatsky,K.Ueda.GenerationofradiallyandazimuthallypolarizedbeamsinYb:YAGlaserwithintra-cavitylensandbirefringentcrystal[J].OpticsLetters,2011,19(3):1905–1914.[11]S.Ngcobo,I.Litvin,L.Burger.Adigitallaserforon-demandlasermodes[J].NatureCommun,2013,44:2289.[12]D.Lin,K.Xia,J.Li.Efficient,high-power,andradiallypolarizedfiberlaser[J].OpticsLetters,2010,35(13):2290–2292.[13]SunB,WangA,XuL,etal.Low-thresholdsingle-wavelengthall-fiberlasergeneratingcylindricalvectorbeamsusingafew-modefiberBragggrating[J].OpticsLetters,2012,37(4):464-466.[14]RuishanChen,JinghaoWang,XiaoqiangZhang,etal.Highefficiencyall-fibercylindricalvectorbeamlaserusingalong-periodfibergrating[J].