基于泵浦光声光调控的模式可调谐脉冲涡旋光束产生方法研究

Vortex beam has great potential value in many areas such as optical communications, lidar detection and high dimensional quantum information. However, high power pulsed vortex beam with large mode tuning range is not available at present. With the pump beam controlled by multiple radial ultrasonic waves, the mode tuning range can be considerably expanded and the peak power can be increased as well in a vortex solid-state laser. The vortex mode tuning will be realized by variation of the parameters of the ultrasonic waves. In this project, the variation of the pump beam distribution with the parameters of the ultrasonic wave and the acousto-optic medium will be studied. In order to improve the ability in mode discrimination and the pump efficiency, the optimized pump area of the Laguerre–Gaussian (LG) modes will be presented based on the space dependent rate equations under the combined effect of the pump beam and the corresponding self-absorption loss. A pulsed vortex beam with large mode tuning range and average power more than one watt will be demonstrated. The research will provide a new scheme for the generation of high power mode- tunable pulsed vortex beam, exhibiting great academic and application value.

相位涡旋光束在光通信、激光雷达探测、高维量子信息等领域具有极大的应用价值。针对目前难以产生多模式调谐高功率脉冲涡旋光束的问题，本项目用多列径向传播的超声波调控固体激光器的泵浦光，通过超声波参数的调节实现涡旋模式的调谐，可极大地提高脉冲涡旋光束的峰值功率、扩大模式调谐范围。本项目中，通过建立光场在声光介质中的传播模型研究介质的材料参数、超声波参数对泵浦光场分布的影响；基于泵浦光场和激光介质自吸收损耗综合作用下空间交叠拉盖尔-高斯（LG）模的速率方程，对各LG模的泵浦区域进行优化，以加强模式选择能力并提高泵浦效率；可产生在多个涡旋模式间调谐、平均功率1W以上的脉冲涡旋光。本项目的研究将为可调谐脉冲涡旋光束的产生提供一种新的方案，具有重要的学术和应用价值。

本项目针对固体激光器高阶模式的产生开展研究。理论工作有：提出了计算固体激光器橫模比例的小信号近似方法。将多模耦合速率方程组简化为代数方程组，通过求解代数方程组即可得出橫模比例，很大地简化了橫模比例的计算问题。小信号近似方法的计算结果与直接数值求解速率方程组的结果吻合很好。通过搭建离轴泵浦厄米-高斯（HG）模激光器，实验验证了该计算方法，结果表明计算结果与激光器的输出模式基本一致。实验工作有：（1）通过对泵浦光离轴量的控制，在声光调Q Nd:YAG固体激光器中产生了HG1,0~HG16,0模16个模式的高峰值功率脉冲光束。在10kHz重复频率下，HG1,0光束的脉宽为32ns，峰值功率为4.1kW；HG16,0光束的脉宽为79ns，峰值功率为0.7kW。实验中发现了热透镜引起的HG模跳模现象。随着泵浦功率升高，激光器先由单一HG模转变为混合模，进而跳模到相邻的低阶模。这是离轴热透镜使谐振腔光轴发生偏移，从而使有效离轴量减小引起的。激光器所处的HG模阶数越高，跳模对应的泵浦功率越低，可以通过对离轴量修正恢复原模式。（2）在环形光泵浦薄片Nd:YAG Laguerre–Gaussian (LG)模激光器中，研究了LG0, ±1~ LG0, ±8 模8组相反手性模式的相干叠加和非相干叠加。谐振腔在对称状态下，很低功率泵浦时，相反手性模式竞争不激烈，输出为相干叠加形成的花瓣状光斑；较高功率泵浦时，相反手性模式竞争激烈，相位随机起伏，输出为非相干叠加形成的环形光斑，这种光斑不具有螺旋相位。倾斜输出镜可使单一手性模式振荡，输出涡旋光。通过控制泵浦光离焦量，获得了LG0, ±1、LG0, ±2、LG0, ±3模涡旋光，功率分别达到0.88W、0.85W、0.79W。声光调Q时，10kHz 重频下LG0, ±1模的脉宽为33.85ns，单脉冲能量0.048mJ，峰值功率1.4 kW。Cr:YAG被动调Q时，谐振腔对称状态下，低功率泵浦时，相反手性模式相干叠加，输出花瓣状光斑，相位差随脉冲随机变化，花瓣方向随机跳跃。高功率泵浦时，相反手性模式非相干叠加。通过微调Cr:YAG和输出镜角度获得涡旋光，泵浦功率6.2W时，LG0, ±1模的重复频率12.6kHz，脉宽28.6ns，单脉冲能量0.038mJ，峰值功率1.33 kW。