全光纤可见光超快涡旋激光产生及光场动态调控研究

Optical vortex beams with the spiral phase structures, annular intensity profiles and orbital angular momentums have attracted a great deal of interest in recent years, and have found many potential applications in high-resolution microscopy imaging, optical trapping and manipulation, quantum information, optical communications and nano-structure material processing. . At present, most of optical vortex beams only work in the near-infrared wavelengths, and are generated by the passive methods with continuous-wave outputs. However, visible-light ultrashort-pulsed vortex laser with compact, user-friendly and economical system is urgently desired, in particular, in the application of STED optical microscopy. An ideal solution is to directly generate optical vortex beams from passively mode-locked fiber lasers in visible spectral region. In this project, we propose to use mode selective fiber couplers in combination with nanomaterial-based visible-wavelength saturable absorber for passively mode-locked Pr3+-doped fiber vortex lasers. Thus, visible-light vortex laser beams with ultrashort pulse duration will be directly generated by our research project. Our research work will be mainly focused on the following aspects: 1) Developing visible-wavelength single-mode/multimode fiber mode-elective couplers, and well understanding its effects on the generation and output performance of visible-light vortex laser; 2) Fabricating high-performance nanomaterial-based saturable absorber operating in the visible spectral region; 3) Performing numerical simulations and experimental investigations of passively mode-locked Pr3+-doped fiber vortex lasers for achieving red-, orange- and green-light ultrafast vortex laser beams; 4) realizing the flexible control and switching of orbital angular momentums of visible-light ultrafast vortex lasers. . In a word, the researches of this project will not only extend vortex laser to new spectral region, but also may open a new way for developing compact, ultrafast vortex lasers.

具备螺旋相位结构、环形光强分布且携载轨道角动量的涡旋光束在显微成像、光学微操纵、量子信息、光通信及激光精细加工等领域具有重要应用。本项目旨在发展小型化可见光超短脉冲涡旋激光为目的，针对目前主要采用被动方法产生连续涡旋光束且大多工作在近红外波段的问题，开发光纤模式耦合器结合纳米材料超宽带饱和吸收的巨大潜力，研究实现被动锁模掺Pr3+全光纤激光器直接产生红/橙/绿光超短脉冲涡旋光束。主要研究工作包括：1）研制基于可见光单模－多模光纤模式耦合器，掌握其对可见光涡旋激光产生与输出的关键技术；2）开发适用于可见光波段的纳米材料被动锁模器件；3）研制红/橙/绿光被动锁模掺Pr3+光纤涡旋激光器，阐明其动力学运行机理；4）实现可见光脉冲涡旋激光的轨道角动量动态调控。本项目的研究不仅为新波段的涡旋光产生拓展思路，而且为研制小型化超快涡旋激光提供新方法。

可见光超快涡旋激光器在超分辨显微成像、量子信息、特种加工及光频梳等领域均有重要应用价值。针对目前主要采用被动方法产生连续涡旋光束且大多工作在近红外波段的问题，本项目旨在发展小型化可见光超短脉冲涡旋激光为目的，经过项目组3年的努力，主要完成了：1）发展可见光波段耗散孤子谐振机制，首次实验获得全光纤635 nm红光被动锁模激光器，将超快光纤激光器推向可见光波段；2）研制可见光单模-少模光纤模式耦合器，实现全光纤绿/红光锁模脉冲涡旋激光器；3）发展可见光新型饱和吸收体，实现全光纤可见光调Q脉冲涡旋激光器（OAM±1、OAM±2），以及深红光被动锁模Pr: LiYF4涡旋激光器；4）发展光纤端面介质膜技术，构建可见光光纤谐振腔，获得568-581 nm可调谐及瓦级高功率掺Dy3+: ZBLAN光纤黄光激光器，并进而利用BBO直接腔内倍频这一光纤黄光激光器，首次实现了波长可调谐283-290 nm深紫外激光产生。本项目研究成果为获取小型化、可见光全光纤超快涡旋激光器提供了新思路及新途径。. 通过上述4方面的深入研究，本项目已发表学术论文16篇（项目主持人作为第一或通讯作者论文12篇），其中被SCI收录13篇（第一标注7篇，7篇JCR1区），会议论文3篇（均为第一标注）。论文主要发表在光电子领域权威期刊，包括Light: Science & Applications（1篇）、Nanophotonics（1篇）、Nanoscale（1篇）、Photonics Research（4篇）、Optics Letters（2篇）、Optics Express（1篇）、IEEE Photonics Technology Letters（2篇）、Chinese Physics B（1篇）等，其中2篇为特邀论文，具体详见“成果列表”。. 本项目实施过程中，产生并申请了2项国家发明专利（1项已授权），1项实用新型专利。本项目培养研究生共9人，其中博士研究生3名（1名已毕业，2名在读）、硕士研究生6名（2名已毕业，4名在读）；项目执行期内，项目成果以第一完成人获福建省自然科学奖二等奖1项；项目主持人获国家优秀青年科学基金、军委装备预研基金等相关项目共5项。