2023年12月06日，物理领域期刊《WAVES IN RANDOM AND COMPLEX MEDIA》刊发了本课题组题为“Efficient Yb³⁺:Y₃Al₅O₁₂ microchip laser for generating high polarization purity cylindrical vector beams with four topological charges ”的文章。该文章是由2023级博士研究生朱兴雨、2020级博士研究生缪宇杰和2019级硕士研究生张霖在董俊教授的指导下完成。

具有固定拓扑电荷和理想偏振态的拉盖尔-高斯模式柱对称矢量光束，不仅携带轨道角动量，而且具有空间变化的偏振态，被广泛应用于量子通信、光学捕获和操纵微观粒子、激光加工、高分辨率成像和高容量存储等领域。相较于通过加入外部调制元件，如空间光调制器、光学超表面等调制光束的振幅相位从而实现涡旋光束的输出的方法，利用环形光直接泵浦固体激光器的方法，成本更低、损伤阈值高、输出激光光束质量高，因此在固体激光器中产生的具有固定拓扑电荷和理想偏振态的高效高阶柱对称矢量光束是各种应用的理想选择。

课题组在基于环形光泵浦的Yb:YAG微片激光器的研究中，通过调整环形泵浦光的焦点束腰大小以及焦点与增益介质之间的距离，直接生成了具有E_0,l(f,r) = - E_f´sin[(l+1)f]+ E_r´cos[(l+1)f] 偏振特性的LG_0,l (l =2, 3, 4) 柱对称矢量涡旋光束，当入射泵浦功率达到 2.9 W时，获得 LG_0,4矢量涡旋光束；并且随着入射泵浦功率的增加到6.1 W，LG_0,4模式不发生改变。LG_0,2模涡旋光在1030 nm附近以多纵模振荡。LG_0,3模涡旋光在1030 nm和1050 nm两个波长下振荡。LG_0,4模涡旋光在1050 nm附近振荡，纵模随P_in增加而增加。

研究表明，通过选择合适的束腰和环形泵浦光束的聚焦光斑位置，可以在高效的微片激光器中实现具有固定拓扑电荷和所需偏振态的圆柱矢量光束的输出。

图 1.（a）理论计算出不同泵浦束腰大小下涡旋激光器的产生LG_0,4模式的阈值与焦点和Yb:YAG晶体之间距离（Δz）的函数关系。（b）理论计算的涡旋激光器产生LG_0，l (l = 2, 3, 4和5)的阈值泵浦功率与Δz的函数关系。

图2.（a）在微片激光器中生成具有所需偏振态的LG_0,l（l = 2, 3, 4）CVBs的示意图。M1 是1030–1060 nm 处具有高反射涂层的后腔镜，OC是输出耦合镜，L是Yb:YAG 晶体的长度，Δz是焦点与 M1之间的距离Δz = 0 表示焦点位于 M1上，Δz < 0 表示焦点远离 M1，Δz > 0表示焦点位于 Yb:YAG 晶体内部，W_P是焦点处的束腰。（b）用于产生CVB的Yb:YAG微片激光器的实验装置照片。f₁和f₂分别是准直透镜和聚焦透镜。

图3. 实验获得的 LG_0,1(l = 2, 3, 4) CVB 的横向模式强度和沿x轴的强度分布: (a)在P_in = 2 W时的LG_0,2，(b)在P_in = 2.5 W 时的LG_0,3，(c)在P_in = 3 W时的LG_0,4，(d)在P_in = 4.2 W时的LG_0,4，(e)在P_in = 5.6 W 时的LG_0,4。实线是相应的理论计算 LG_0,1(l = 2, 3, 4)的光强沿x的分布。

图4. 产生涡旋激光与平面波干涉的干涉图样。(a)在P_in = 2 W时的 LG_0,2，(b) 在 P_in = 2.5 W时的LG_0,3，(c)在P_in = 3W的LG_0,4，(d)在P_in = 4.2 W时的LG_0,4，(e)在 P_in = 5.6 W时的LG_0,4。(f)-(j)为理论模拟的平面波与LG_0,2，LG_0,3和 LG_0,4涡旋激光的干涉图样。

图5.（a）LG_0,2圆柱矢量光束和0°、45°、90°、135°的偏振图。（b） LG_0,3圆柱矢量光束和 0°、45°、90° 和 135° 的偏振模式。（c）LG_0,4圆柱矢量光束和0°、45°、90°、135°的偏振图案。虚线是线性偏振器旋转时偏振图案旋转的参考线。

图6. Yb: YAG 微片激光器的输出功率和光学效率随输入泵浦功率的变化。实线是实验数据的拟合。

原文链接：https://doi.org/10.1080/17455030.2023.2289991