简单的激光装置能够自发产生称为矢量涡流的非均匀偏振模式。

偏振调制。具有特定频率反馈的激光器产生的环状光束称为矢量涡流。这幅图展示了径向偏振矢量涡流，其中白线描绘了在黑暗中心附近变化的偏振方向。

矢量涡流激光束具有独特的偏振模式，它围绕黑暗中心的位置而变化，并且这种不均匀性导致它比通常的均匀偏振更加聚焦。现在研究人员使用低成本的激光器和反射元件制造出了矢量涡旋，而没有使用通常的专用设备。这种相对简单的设计可以允许在不同的偏振模式之间切换，同时激光电流的变化很小。

矢量涡旋与光学涡旋相似; 两者光束的横截面均具有环形强度分布。在光学涡旋中，光的相位在光束中心的黑洞周围变化，而且偏振方向是均匀的。但是在矢量涡流束中，随着中心的移动，偏振会发生变化。研究人员已经表明，具有不同偏振的光束可以聚焦到比均匀偏振的光束更小的光斑尺寸。这种聚焦对于光学捕获和基于光的蚀刻技术是有益的。研究人员还在探索矢量涡旋的相关性质，类似于量子纠缠。

产生矢量涡旋的最常见的方法之一是使用可以在光束横截面中的特定点施加偏振方向的液晶空间光调制器。诸如锥形反射镜等其它元件也可以插入光束的路径中以产生不均匀的偏振。但是英国格拉斯哥的斯特拉斯克莱德大学的Thorsten Ackemann和他的同事们透露了一种更简单的方法。该团队发现，一种类型的半导体激光器，特别是垂直腔面发射激光器（VCSEL）——可以在针对特定频率反射时产生各种不同的矢量涡旋。Ackemann说，“你不需要设计这些偏振态，他们会自发地产生。”

使用垂直腔面发射激光器（VCSEL）产生矢量涡旋的可能性在二十年前已经被预测。这个推论是基于VCSEL激光腔的高度对称特性。大多数激光器是不对称的——例如，它们可能具有矩形横截面——并且这种不对称性在很大程度上决定了发射光的偏振方向。相比之下，VCSEL从圆柱形谐振腔发射激光，因此它的偏振方向通常在水平和垂直两个方向之间转换。这种偏振“竞争”表明可能存在两个偏振模式共存的中间状态，以形成空间不均匀模式。Ackemann怀疑，以前的实验没有检测到非均匀偏振（矢量涡旋）是因为VCSELs刚好具有足够的不对称性使得一种偏振模式占据上风，即一种偏振模式总是在至少转换到另一种偏振模式之前完成。

在他们的系统中，Ackemann和他的同事能够通过添加本质上只能反射一种频率的布拉格光栅（VBG）来补偿其垂直腔面发射激光器（VCSEL）的固有不对称性。放置在VCSEL前面的布拉格光栅在反射表面和激光的发射表面之间建立了一个新的谐振腔。该腔的反馈有助于将激光频率锁定在反射频率。随着改变供给VCSEL的电流（影响光束的强度和频率），他们惊奇地发现偏振变得不均匀。这种变化的原因并不完全清楚，但是Ackemann认为，布拉格光栅的微小倾斜可以抵消激光的各向异性，并且使得多个偏振模式具有相同的频率，以致于没有主导的一种模式。

观察到的偏振结构取决于供给VCSEL的电流。对大多电流值来说，偏振是均匀的，但是对于特定的电流输入，该团队发现了具有径向、双曲线或螺旋状的涡旋。这种对电流的依赖性，与VCSEL-VBG腔的谐振频率中温度诱导变化有关，可能用于未来的器件中以切换涡流。利用空间光调制器可以进行这种控制，但是这些设备的价格昂贵。

俄亥俄州代顿大学的Qiwen Zhan表示，使用VCSEL制造矢量涡旋可以有多种应用，其主要优点是“器件的简洁性和通过电调控调整非均匀偏振态的能力”。但是他同意作者的看法，这些应用之前还需要对VCSEL-VBG谐振腔的更全面的研究，以了解涡旋形成的机制。

来源： https://physics.aps.org/articles/v10/102

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