2022年5月4日，物理领域期刊《Annalen der Physik》刊发了本课题组题为“Rectangular beam pumped Raman microchip laser for generating multiwavelength High-order Hermite–Gaussian lasers and vortex lasers” 的文章。该文章是由2019级硕士研究生丁永胜和2020级硕士研究生杨建威在董俊教授的指导下完成。通过控制矩形光的泵浦功率，在Yb:YAG/YVO4拉曼微片激光器中实现了高光学转换效率、多波长和阶数n从1到9之间可调的HG0,n激光输出，并利用像散模式转换器产生了高光束质量的涡旋激光，其拓扑荷数可高达9。具有五个波长的HG0,n拉曼激光的光学效率高达5.1%。
多波长振荡的高阶厄米特-高斯(HG)激光作为重要的结构光之一，在湍流通信、非线性衍射、光学超控微粒子、模分复用和太赫兹波等领域具有非常广阔的应用前景。此外，通过像散模式转换器产生的涡旋激光在光学捕获、量子通信和光通信等领域也有着广泛的应用。产生高阶HG0,n激光的方法主要有离轴泵浦、空间光调制器(SLM)和模式控制元件等方法。然而，这些方法产生的HG激光的模式阶数和转换效率都比较低，限制了HG激光的实际应用。因此，研制一种能够产生高光学转换效率、阶数可控的多波长高阶HG0,n激光和涡旋激光的激光器是实现太赫兹波、光学通信和微粒操控的一大需求。
厦门大学董俊教授课题组激光与应用光子学实验室针对这一问题，通过控制矩形泵浦光的形状和功率，在Yb:YAG/YVO4拉曼微片激光器中产生了多波长高阶HG0,n激光，并实现了模式阶数从1到9的灵活调控。利用940 nm单管激光器发出的矩形光泵浦Yb:YAG/YVO4拉曼微片激光器，获得了高光学转换效率的多波长阶数可控的高阶HG0,n激光输出，并通过像散模式转换器实现了多波长涡旋激光输出。相关结果发表在Annalen der Physik上。
研究人员通过构建矩形光泵浦的Yb:YAG/YVO4拉曼微片激光器，利用YVO4晶体259 cm-1的拉曼频移实现了多波长拉曼激光输出（图1）。通过控制矩形泵浦光的入射功率，实现了模式阶数n从1到9可调的高阶HG0,n激光输出（图2）。利用矩形光泵浦，使腔内增益与HG模式实现较好的模式匹配效应，提升了HG0,n拉曼激光输出的效率，其最大输出功率为137 mW，光学转换效率高达5.1%（图3）。研究人员还建立了Yb:YAG/YVO4拉曼微片激光器腔内模式阈值的理论模型，对产生的HG0,n激光模式阈值泵浦光功率进行了分析（图4）。通过像散模式转换器将HG0,n激光转换成LG0,n涡旋激光，实现了多波长高阶涡旋激光的输出（图5）。研究人员针对HG0,n和LG0,n激光光束质量因子的研究结果表明，实验获得的HG0,n和LG0,n激光具有非常好的光束质量（图5）。研究结果表明，使用矩形光泵浦的Yb:YAG/YVO4拉曼微片激光器可以实现高光学转换效率的多波长、阶数可控高阶HG0,n激光和LG0,n涡旋激光输出。本论文的研究成果为研制小型化拉曼微片激光器产生多波长高阶HG激光和涡旋激光输出提供了一种高效灵活方便的方法。
图1. Yb:YAG/YVO4拉曼微片激光器的光谱。（a）入射泵浦功率Pin=1.1 W时基频激光振荡的光谱；（b）Pin=1.4 W时基频激光和拉曼激光同时振荡的光谱；（c）Pin=1.5 W时拉曼激光振荡的光谱；（d）Pin=2.7 W时拉曼激光振荡的光谱。
图2. (a)-(j)TEM00模式和HG0,n（n=1,2,…,9）模式激光的横模强度分布图样与(a1)-(j1)理论模拟的激光横模强度分布图样
图3. Yb:YAG/YVO4拉曼微片激光器输出功率与Pin的关系。I：基频激光振荡；II：基频激光和拉曼激光同时振荡；III：拉曼激光振荡
图4. 实验测量的HG0,n（n=1,2,…,9）激光的阈值泵浦光功率；实线是理论计算的HG0,n在基频光场和斯托克斯光场的不同模式光振荡的阈值泵浦光功率。
图5.(a)像散模式转换器的原理示意图；(b),(c),(d)HG0,3激光转换成为激光LG0,3和干涉图样；(e),(f),(g) HG0,5激光转换成为激光LG0,5和干涉图样。
图6. (a)聚焦后HG0,n激光沿y-轴束宽的变化；(b)聚焦后LG0,n涡旋激光束宽的变化；(c)实验获得的HG0,n和LG0,n的光束质量因子与理论值的对比
