固体激光横模锁定与涡旋激光产生研究

High power output of Vortex laser directly from cavity by DPSL has attracted more and more interesting. The main route to get high power Vortex DPSL is using annular pumping profile or spot defect on the mirror in recent years. But by this route, there exists large temporal instability on the spatial profile and orbital angular momentum of vortex out. In order to overcome this instabiblity, some mechanism must be adopted to lock the spatial profile and fix the orbital angular momentum. In this project, the researches on the transverse mode spliting and locking in a cylindrical cavity by anisotropy aberrations will be carried out. The differences of frequency and spatial profile of modes were determined by the observation of spatial-temporal performance and dynamics. The aberration-induced selection of orbtial angular momentum will be researched. We expect to find a route to realize the stable high power Vortex laser with fixed orbtial angular momentumd by researches. The watt-level Vortex DPSL was expected in the experiment. These researches will bring much benefit for the application of Vortex beam.

谐振腔内直接产生带轨道角动量的高功率全固态Vortex激光是当前激光领域的研究热点。采用泵浦或损耗的空间匹配来获得环形Vortex激光振荡是目前产生高功率Vortex激光的研究焦点。然而，仅采用泵浦或损耗匹配获得的Vortex激光在空间分布和轨道角动量上存在很大的时间波动，需要一种锁定和选择机制才能可控地获得带确定轨道角动量的稳定Vortex激光。本项目拟研究径向对称谐振腔在多个像差元件调控下的横模分裂及再锁定为Vortex激光过程，通过输出光场的时间-空间的动力学研究分析光场的频率及空间分布变化，探究像差导致的横模锁定机制以及对激光模式轨道角动量的选择机制。据此探索一条获得稳定、带确定轨道角动量的高功率Vortex激光的有效技术途径；实验获得瓦级全固态Vortex激光输出。促进Vortex激光在粒子操控、超分辨显微、光通讯、光存储、微纳加工方面的应用。

光学涡旋是近二十年来学术界广泛重视和研究的一种特殊光学现象，在波动光学，量子光学，光学微纳加工、量子通信等许多领域具有重要的意义。当前产生环形涡旋光束的主要手段是在激光腔外采用位相调制元件进行空间位相调制。但是这些腔外的方法存在着造价昂贵、非本征传输模式、转换效率低、抗损伤能力差、功率低等缺陷。而通过激光器设计，在腔内直接输出涡旋光束的方式，可实现高功率的本征传输模式涡旋激光。本项目开展了各向异性激光晶体和各向同性激光晶体两类不同对称性晶体的涡旋激光直接输出的研究。采用掺Yb的各向异性激光晶体，端面泵浦方式下，研究了通过增益分布抑制基模振荡，结合腔镜微调控的横模锁定，获得了高纯度且轨道角动量方向可调的涡旋激光输出。输出的涡旋激光在持续时间、关机复开等方面，基本满足了实用化要求。采用掺Nd的各向同性激光晶体，在侧面泵浦方式下，研究了热透镜聚焦非共线走离条件下的横模分离，抑制了低阶模式的振荡，采用腔镜微调控手段，获得涡旋激光输出。为克服输出的功率区间小的问题，采用复合谐振腔，在保证稳定性前提下，有效降低了菲涅尔数，扩大了涡旋光的输出功率范围，根据各向同性激光晶体的偏振输出特性，采用双波片的偏振调控，实现了稳定可靠的轨道角动量方向调谐。两类对称性的激光晶体均实现了瓦级的涡旋光输出。本项目提供了固体激光直接输出带轨道角动量的涡旋激光的有效途径，相关研究结果有望产生实用化的大功率涡旋激光，为激光微纳加工、光与物质相互作用等研究领域提供实用化的工具。