超短涡旋脉冲产生方法研究进展 
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1 引言
自涡旋光束被提出以来,人们对它的研究已有近百年的历程。19世纪30年代,Airy首次报道了在透镜的后焦面上会形成一种奇异的光环,这引起人们对该现象的研究[1]。1974年Nye等[2]报道了实验发现的具有连续螺旋波前的光束,光束中心为相位奇异点,光强具有暗中空分布。1992年,Allen等[3]通过理论推导与实验证明,涡旋光束携带大小为l
1) 光学操纵[9-11]。涡旋光束具有暗中空分布,携带轨道角动量,可以在无接触、无损伤的情况下,对微粒实现三维平动、一维转动的四维操纵。
2) 光学通信[12-15]。涡旋光束携带的轨道角动量为光通信领域的一个全新的维度,携带不同螺旋拓扑荷数的涡旋模式之间是相互正交的,因此通过轨道角动量的复用技术,可以极大地提高信道的容量。
关于涡旋光束的产生方式,先前研究主要集中在(准)连续波领域[16-21],这与光学涡旋转换器件的波长敏感特性是分不开的。近年来,随着超快光学领域的飞速发展,将涡旋光束与时域调控技术相结合产生超短的涡旋脉冲引起研究人员极大的兴趣。超短涡旋脉冲具有高能量密度,同时携带轨道角动量,能够在光与物质相互作用中带来新的自由度,为高强度场条件下的物理实验提供了有力的研究条件[22-24]。同时,具有涡旋特性的超短脉冲相比于非涡旋的环形光束,在应用于激光消融领域时,拥有更清晰光滑的加工表面和更低的消融阈值通量,因此可应用于精密激光材料的加工[25-29]。此外,超短涡旋脉冲的时空特性在超快非线性光谱领域也有着重要的应用价值[30-32],从而为涡旋光束开拓了新的应用前景。然而飞秒脉冲具有较大的带宽,针对在单色(窄带)光中产生光学涡旋的技术具有局限性,确保所有光谱分量都完美加入螺旋相位是一个巨大的挑战,因此超短涡旋脉冲生成方式是该领域最基本的研究内容之一。
2 超短涡旋脉冲的产生方案
在单色光领域,涡旋光有多种生成方法,如螺旋相位板(SPP)、计算机生成的全息图(CGH)等,对这些方法进行改进[33-40]以适用于超短涡旋脉冲的产生。与此同时,一些新的方案如轴对称偏振片[41-43]、单轴双折射晶体[44]、衍射螺旋光栅[45-46]、螺旋多针孔板[47]、Sagnac干涉仪[48]等也被提出,用来匹配超短脉冲的宽带特性。下面主要介绍几种超短涡旋脉冲产生方法,并对其原理与优缺点进行简要分析。
2.1 基于螺旋相位板的产生方案
2004年,Sueda等[33]利用多级螺旋相位板产生了高强度的超短涡旋脉冲,首次在实验中实现超短涡旋脉冲产生的相关操作。螺旋相位板是一种衍射光学元件,其厚度随方位角的增大而增加,从而实现对入射光束的波前调制。该课题组使用的多级螺旋相位板是利用多级气相沉积工艺在石英玻璃上制造完成的,如
式中:λ0表示脉冲中心波长;ns为基底的折射率;n0为周围介质的折射率。因此在脉冲带宽较宽时,螺旋拓扑电荷分散以及群延迟使得光束质量降低,通过引入校正元件可以对其进行补偿,但这样会使得光束整形变得复杂。
为了提高螺旋相位板对宽带脉冲的适用性,Swartzlander[34]在2006年提出了消色差螺旋透镜结构,如
图 2. 由具有不同折射率的两种元件组成的36级消色差螺旋相位板[35]
Fig. 2. 36-level achromatic spiral phase plate composed of two elements with different refractive indexes[35]
2.2 基于全息光栅的产生方案
全息光栅可以产生任意拓扑荷数的涡旋光。在超短涡旋脉冲的产生过程中,由于角色散的存在,尽管宽带光中每个光谱分量均可以形成良好的光学涡旋,但是这些光学涡旋的衍射角是与波长相关的,因此会产生空间啁啾,这限制了该方案的应用。针对这个问题,科研人员设计了各种结构进行色散补偿,如双光栅[36-38]、棱镜对[39]、消色差棱镜[40]等。
2004年,Bezuhanov等[36]通过理论分析和实验研究了高功率超短涡旋脉冲的产生,该方案是对传统单色光领域全息光栅方法的改进。为了解决角色散的影响,该课题组利用了线形光栅与叉形光栅组成的光栅对,其中线形光栅没有顶部叉形,其余与叉形光栅完全相同。首先通过线形光栅对脉冲进行预啁啾,再通过叉形光栅得到补偿了空间啁啾的超短涡旋脉冲,但是该涡旋光对比度较低,中心暗斑强度仅低于环形圈强度20%左右,而理想的涡旋光中心强度为零;此外,该装置对光路对准十分敏感,实用性不高。
2005年,Mariyenko等[37]为了研究轨道角动量对强场电离过程的影响,探索了高质量超短涡旋脉冲的产生方案,得到了具有理想暗斑的涡旋光束。该方案基于上述双光栅补偿方案,实验装置如
2.3 基于轴对称偏振片和轴对称波片的产生方案
2009年,Tokizane等[41]通过理论分析和实验研究了超宽带的超短涡旋脉冲产生,他们利用轴对称偏振片(ASP)产生了没有空间色散和螺旋拓扑电荷分散的超短涡旋光,光谱范围约为300 nm,螺旋拓扑电荷l=±2。在该方案中,偏振的转化是光束涡旋化的关键,实验原理如
2012年,Yamane等[42-43]通过对上述方案进行优化,在同样的带宽条件下,产生了2.3周期、5.9 fs带宽、56 μJ能量、l=±1的超短涡旋脉冲。输出脉冲的光谱干涉以及强度图表明,光束没有空间色散或者螺旋拓扑电荷的分散。该方案与轴对称偏振片方案类似,只是在装置中使用轴对称半波片(ASWP)替代了轴对称偏振片。如
表 1. 每个器件的琼斯矩阵及通过器件后的光场矢量[41]
Table 1. Jones matrix of each component and light field vectors after passing through device[41]
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2.4 基于单轴双折射晶体的产生方案
2010年,Shvedov等[44]利用双折射晶体作为涡旋转换器,产生了单能量密度为5×10-3 J/cm2、脉宽为150 fs的超短涡旋脉冲,实现了对单拓扑电荷超短涡旋脉冲75%的转换效率和对双拓扑电荷超短涡旋脉冲50%的转换效率。这个方案利用了光束通过各向异性介质时会产生偏振奇点且这些奇点在通过偏振滤波器后可以转化为相位奇点的特性,在一个宽光谱范围内产生了超短涡旋光。
该课题组设计的实验方案如
图 6. 用于产生双电荷飞秒涡旋脉冲的装置示意图[44]
Fig. 6. Setup diagram for generation of double-charge femtosecond vortex pulses[44]
2.5 基于衍射螺旋光栅的产生方案
2012年Bock等[45]利用衍射螺旋光栅元件,在特定的传输距离处获得了最短脉冲持续时间为8 fs、带宽为200 nm、拓扑荷数为1和2的少周期、高对比度的超短涡旋脉冲。对于只有几个周期的超短脉冲,需要同时考虑角色散以及群延迟色散的影响,因此进行色散补偿就显得十分重要。如
图 7. 少周期超短涡旋脉冲产生与表征的装置示意图[45]
Fig. 7. Setup diagram for generation and characterization of few-cycle ultrashort vortex pulses[45]
2.6 基于螺旋多针孔板的产生方案
2017年,Ma等[47]将螺旋多针孔板作为光学调制器件,产生了脉宽为12 fs、带宽为240 nm的涡旋脉冲,实现了超短脉冲到超短涡旋脉冲的转化。螺旋多针孔板由聚焦的飞秒激光器在铝箔上冲孔制成,它的结构如
图 8. 螺旋多针孔板产生超短涡旋脉冲的原理图[46]
Fig. 8. Schematic of ultrashort vortex pulse generation by spiral multi-pinhole plate[46]
2.7 基于Sagnac干涉仪的产生方案
2017年Naik等[48]将Sagnac干涉仪与脉冲激光结合,产生了单拓扑电荷的超短光学涡旋,并利用产生的超短涡旋脉冲进行了非线性频率转化并生成矢量脉冲,从而验证该方案的可行性。实验光路如
图 9. Sagnac干涉仪作为单电荷涡旋调制器的示意图[47]
Fig. 9. Diagram of Sagnac interferometer used as single-charge vortex generator[47]
3 分析与讨论
通过调研发现,为产生超短涡旋脉冲,既有研究对窄带涡旋光产生方案进行改进,也有研究针对宽带涡旋光提出了全新方案。每种方案都有其特点,也存在自身的局限性,需要根据实际情况选择合适的方法,尽可能提高超短涡旋脉冲的光束质量,提升系统的稳定性。这里对目前常见的几种超短涡旋脉冲产生方法的优势与不足进行对比分析(
基于螺旋相位板的产生方案光路简单,损伤阈值高,损耗低,具有较高的转换效率,非常适用于高功率、大口径条件。但是螺旋相位板并不是针对宽带设计的,一旦输入的脉冲带宽较宽,便会由群延迟以及螺旋拓扑电荷分散等导致光束质量降低,尽管可以通过色散补偿元件以及消色差螺旋透镜等结构进行补偿,但这大大提高了该方案的复杂程度。
基于全息光栅的产生方案通过精巧的光路设计,使用常见的光学元件进行了色散补偿。但补偿过程较为复杂,对光路对准要求很高,同时转化效率较低,只有10%左右。
表 2. 超短涡旋脉冲产生方法的对比分析
Table 2. Comparison of different methods for ultrashort vortex beam generation
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基于ASP和ASWP的产生方案主要通过对偏振的控制实现超短涡旋脉冲的转化。由于实验中的调制元件均对波长不敏感,因此该方案可以在一个超宽带的范围内产生高质量的输出脉冲,而不存在角色散或螺旋拓扑电荷分散,其中ASP可以达到25%的转化效率,ASWP的转化效率甚至可以达到100%,但是调制元件损伤阈值较低,不适用于高功率脉冲。
基于单轴双折射晶体的产生方案,同样也是通过对偏振的控制实现超短涡旋脉冲的输出,在一个超宽带范围内均可使用。所使用的元件具有较高的损伤阈值,因此该方案适用于高能脉冲,且转化效率较高;但是受到角动量守恒的约束,该方案仅能用于产生单电荷和双电荷的超短涡旋脉冲。
基于衍射螺旋光栅的产生方案具有高度紧凑的结构,无需复杂的光学调整便可以补偿宽带涡旋脉冲在转化过程中引入的色散,从而产生对比度较高的涡旋光束,但是转化元件结构较为复杂,需要预先进行精准的计算以及加工。
基于螺旋多针孔板的产生方案实验装置简单,损伤阈值高,转化器件多针孔板易于制造,适用于超宽带的脉冲,但是该元件在转化过程中会产生螺旋拓扑电荷分散,且转化效率较低,会有大量能量损失。
基于Sagnac干涉仪的产生方案利用了成熟的光路结构,实验装置简单、成本低,不受光谱带宽限制,损伤阈值较高,十分适用于高功率涡旋光转化。但是通过对利用该方案产生涡旋光的原理进行分析,可以发现该方案仅能用于产生l=±1的涡旋光。
4 结束语
涡旋光束具有独特的性质,而将其拓展到超短领域产生超短涡旋脉冲,具有很大的应用前景和发展潜力,如何获得宽带的超短涡旋脉冲引起越来越多研究人员的兴趣。对近年来国内外超短涡旋脉冲主要产生方案的研究进展进行总结,对其原理进行了简要介绍,并对比分析了各个方案的优势与不足。更稳定、更成熟的超短涡旋脉冲产生方案的逐渐提出,将会在越来越多的领域发挥重要的作用。
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龚宇霆, 刘兰琴, 耿远超, 孙喜博. 超短涡旋脉冲产生方法研究进展[J]. 激光与光电子学进展, 2020, 57(5): 050008. Yuting Gong, Lanqin Liu, Yuanchao Geng, Xibo Sun. Research Progress on Ultrashort Vortex Pulse Generation Methods[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2020, 57(5): 050008.
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