多維、 雙通道渦旋光束髮生器

2020-09-02 江蘇雷射產業創新聯盟

江蘇雷射聯盟導讀：光學渦旋（Optical vortices），是一種可以攜帶軌道角動量，在許多應用程式中提供特殊能力 的裝置。一個單一的雷射源，配備雙光束模式 的輸出，可以為雷射在非線性光學和量子光學中開拓一個廣闊的新的研究領域。來自天津大學的學者為大家展示了一種雙通道的辦法來輸出飛秒、雙波長、雙光束模式可調製信號且在近紅外波段的雷射。雙波長的獲得依靠激勵兩個相鄰時周期的周期性極化鈮酸鋰晶體 來實現。通過摻鐿光纖雷射器 的高斯光束(lp = 0) 的泵浦，兩個可調製的信號發射出不同的光束模式，這一兩個不同模式的光可以同時被觀察到。儘管其中的一個發射可以在高斯光(ls = 0)的條件下在1520nm到1613nm之間進行調製，另外一束可以形成渦旋空間分布 ，且以不同的分布旋渦順序 (ls = 0 to 2)進行分布，調製範圍為1490到1549nm。這一提出的系統提供了前所未有的自由設計，並將成為超分辨成像、非線性光學和多維量子糾纏等應用場合的激動人心的平臺 。

光束髮生器Beam generator

光學渦旋（Optical vortices），是一種螺旋相前鋒 和圓環形強度分布 的，可以在很多領域得到應用的一種技術，其應用範圍從顯微學到光學通訊。對於光學渦旋的應用來說，可以用猛增來形容。因此，如何使用更好的辦法來產生光學渦旋就提上了日程。活躍的、直接的從雷射諧振腔中產生光學渦旋被認為是一種最佳的辦法。對於光學渦旋在量子光學和超高解析度影像學中的應用，一種可以在較寬光譜範圍內產生光學渦旋的雷射源是至關重要的的。

光參量振蕩器（Optical parametric oscillators (OPOs) ）可以實現在較寬的光譜範圍內產生可定製的光，其範圍可以從UV到紅外（IR）。在所有的光參量振蕩器（OPOs）中，這些可以直接從飛秒光纖雷射中進行泵浦的光源可以提供令人敬畏的表現效果的可調製的超快脈衝：高重複頻率、高輸出功率、寬的光譜覆蓋範圍。正如其所輸出的那樣，飛秒OPOs成為產生可調製光學渦旋的最佳辦法。

雙光學模式、雙通道的光參量振蕩器（OPO）

來自天津大學超快雷射實驗室的胡明列團隊研究發現：單通道光束渦旋束髮生器 可以產生數據傳輸容量和捕獲能力 ，以獲得可調製的太赫茲輻射。雙通道的發生器可以具備這種能力，額外加上可以產生兩種不同類型的光束，從而可以在較寬的範圍內得到應用。兩個互不相干的光源 ，一個是高斯光束，一個是渦旋光束，則會打破瑞利衍射極限。這一特點可以在高分辨影像領域中得到應用。因此，雙通道渦旋光束髮生器是我們最期望得到的。

實驗裝置設置的示意圖

圖解：L1 和 L2:透鏡； HWP: 半波（晶）片（half-wave plate）; PBS: 偏振分束器（polarization beam splitter）; QWP:四分之一波片（quarter-wave plate） ; M1 到 M4: 介質鏡（dielectric mirrors）; OC: 15% 輸出耦合鏡（output coupler）. 紅色和紫色光束分別表示通道1和通道2的信號 。

胡明列及其團隊人員最近發展構造了一種雙通道、雙泵浦的光參量振蕩器（Optical parametric oscillators (OPOs) ），用以實現提供雙波長、雙光學模式，在電信波段可調製的波段。這一相關的研究成果發表在期刊《Advanced Photonics》上。

他們通過激勵兩個相鄰周期的周期性極化鈮酸鋰晶體在摻鐿（Yb）光纖雷射器裝置中獲得了雙波長的操作。這一結構確保了兩個獨立可調製對信號能夠與泵浦和振蕩同時同步

工作原理Working principle.

光參量振蕩器（Optical parametric oscillators (OPOs) ）腔結構可以分為兩個通道：一個用於產生高斯光束，另外一個用於產生形形色色的渦旋光束。胡明列解釋說：具有不同順序的渦旋光束可以通過替換Q-波片來實現，該波片足夠薄以至於任何引入的彌散物都可以忽略不計。結果光參量振蕩器（OPO） 就會產生兩個可調製的信號，信號範圍分別為1520–1613 nm 和1490–1549 nm。

實驗時產生的光束的形狀

胡明列及其團隊提出的這一辦法具有方法簡單、經濟實用的特點的腔設計，可以提供非常方便的途徑來實現產生雙光束模式的光學渦旋。他們同時期待著這 一辦法可以為超高分辨圖像、非線性光學、多維量子糾纏等諸多領域的應用提供一個平臺。

寧波大學發表的雙模渦旋光束髮生器 的帶寬評估

寧波大學研究的一種產生高性能渦旋光束髮生器的示意圖和工作原理

天津大學胡明列

胡明列，天津大學精密儀器與光電子工程學院超快雷射研究室教授。研究方向：超短脈衝雷射技術； 光子晶體光纖技術。致力於新型高功率光纖飛秒雷射技術的相關基礎性研究工作，獲得多項國內外同行認可的創新性研究成果。已在國內外重要學術刊物上發表SCI收錄論文150餘篇，被SCI他引1000餘次，多次在國內和國際會議上做邀請報告，並受邀擔任國際光學權威期刊OSA和IEEE系列雜誌審稿人。主持973計劃課題、863計劃課題、自然科學基金等多項國家和省部級項目。基於上述科研方面的成績，2007年獲得全國優秀博士論文併入選2007年度教育部新世紀優秀人才計劃。光子晶體光纖飛秒雷射技術通過教育部鑑定併入選2008年度「高等學校十大科技進展」，2009年榮獲教育部技術發明一等獎。2013年獲批自然基金優秀青年基金。2013年入選天津市青年科技獎。2014年入選天津市「中青年科技創新領軍人才」。

個人經歷或學術經歷 ：

1996.9-2000.7 天津大學精儀學院光電子專業；

2000.9-2005.2 天津大學精儀學院物理電子學和光學工程碩博連讀研究生；

2005.3-2007.1 天津大學儀器科學與工程流動站博士後；

2006.7-2006.10 德國弗裡德裡希•希勒-耶拿大學訪問學者；

2009.12-2010.3 香港中文訪問學者；

2006.3-2010.6 天津大學精儀學院副教授；

2010.6-今 天津大學精儀學院教授；

文獻來源：Jintao Fan et al. Two-channel, dual-beam-mode, wavelength-tunable femtosecond optical parametric oscillator, Advanced Photonics (2020). DOI: 10.1117/1.AP.2.4.045001

參考文獻：1.High-efficiency dual-modes vortex beam generator with polarization-dependent transmission and reflection properties，Shiwei Tang, Tong Cai, Guang-Ming Wang, Jian-Gang Liang, Xike Li & Jiancheng Yu ， Scientific Reports volume 8, Article number: 6422 (2018)

2.High-efficiency transparent vortex beam generator based on ultrathin Pancharatnam–Berry metasurfaces，Vol. 27, Issue 3, pp. 1816-1824 (2019) •https://doi.org/10.1364/OE.27.001816，Shiwei Tang, Tong Cai, Jian-Gang Liang, Yu Xiao, Cheng-Wu Zhang, Qing Zhang, Ziyang Hu, and Tao Jiang

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