新疆师范大学物理与电子工程学院，新疆发光矿物与光功能材料研究重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830054
设计了一种由1 μm涡旋光泵浦的闲频光单谐振KTiOAsO4涡旋光参量振荡器，并基于该光参量振荡器在近/中红外波段实现了高光束质量、高能量、窄光谱带宽的涡旋光输出。选取不同曲率半径的输入镜和平面输出镜分别建立平平腔和平凹腔两种腔结构，基于所建结构可以控制泵浦光的轨道角动量（OAM）选择性地传递给输出的信号光或闲频光。当泵浦光最大能量为20.6 mJ时，在近红外波段产生了3.04 mJ的信号涡旋光（1.535 μm），同时在中红外波段产生了0.82 mJ的闲频涡旋光（3.468 μm），它们对应的转换效率分别为28.21%和7.62%。基于泵浦光与谐振闲频光在两种腔型中的空间重叠效率，从理论上解释了泵浦光OAM的传递原理。测量得到输出信号光和闲频光的光谱带宽（半峰全宽）分别为λs=0.85 nm和λi=1.08 nm，其中闲频光在两个正交方向上的光束质量因子分别为≈2.1和≈2.2。
光学器件 涡旋光 闲频光谐振 光参量振荡器 KTiOAsO4
1 北京理工大学 光电学院，北京 100081
2 北京遥测技术研究所，北京 100084
载波调制水下探测激光雷达利用散射光和信号光在频域特性上的差异来抑制杂散光，而不同水质中的散射光的截止频率是载波调制水下探测激光雷达设计中的重要参数。测量散射杂波的频率响应需要将目标回波与散射杂波分开，尤其是前向散射，与目标回波空间上重合，不容易被分开。文中提出了一种在载波强度调制激光雷达中分别测量水下目标和散射杂波的频率响应方法，利用散射光和目标反射的信号光在空间相干性上的差异，在回波光路上使用螺旋相位板将其分开并分别采集，再通过傅里叶变换得到它们的频谱。实验结果表明，前向散射杂波具有低通特性，而目标回波的响应是平坦的。将信号与散射在频谱中调制频率处的幅度之比定义为“信杂比”，并且用其来表示探测的有效性：当信杂比大于1时，认为探测到了目标。在较浑浊的水中，为了获得大于1的信杂比，载波的调制频率需要更高，基于蒙特卡洛方法对光子在海水中的传播进行了仿真模拟，结果与实验相符。测距实验也证明了，提高调制频率可以减小浑浊水中的测距误差。当信杂比小于1时，提高调制频率，测距误差降低明显。
散射杂波 涡旋光 频率响应 载波调制 scattering clutters vortex beam frequency response carrier modulation 红外与激光工程
2023, 52(9): 20220831
1 河北工业大学 先进激光技术研究中心，天津 300401
2 河北省先进激光技术与装备重点实验室，天津 300401
3 武汉锐科光纤激光技术股份有限公司，湖北 武汉 430223
涡旋光由于携带轨道角动量信息，在天文学、光学操控、显微成像、传感、量子科学和光通信等领域有着广泛的应用前景。特别地，针对可见光波段涡旋激光，在水下通信领域，涡旋光束可以显著提高通信容量。此外，在可见激光高分辨成像领域，涡旋光束可大幅度提高成像分辨率。目前，可见光波段涡旋光主要通过无源法和有源法产生。相比腔外转换的无源法，有源法在转换效率、光束质量（模式纯度）以及功率提升方面均具有显著优势。该综述重点阐述激光腔内直接产生可见光波段涡旋光的产生技术，具体包括离轴泵浦法、环形泵浦法、腔内球差法等技术手段。综述了可见光波段涡旋固态激光的腔内产生技术，分别从基于非线性频率变换的可见光涡旋激光产生技术、基于分立元器件的LD直接泵浦可见光全固态涡旋激光产生技术、基于光纤介质的LD直接泵浦可见光全固态涡旋激光产生技术方面进行介绍。最后对其未来发展进行分析和展望。
可见光 涡旋光 有源法 固体激光 visible light vortex laser active method solid-state laser 红外与激光工程
2023, 52(8): 20230424
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 20093
涡旋光携带轨道角动量，具有螺旋相位，其坡印廷矢量与光轴存在夹角。涡旋光坡印廷矢量的角向分量会引起旋转多普勒效应，可对旋转速度进行直接测量。利用涡旋光的线性多普勒效应与旋转多普勒效应可以对物体的线速度以及转动速进行探测，对物体的复合运动状态进行描述。在此基础上，利用叠加了不同轨道角动量模式的涡旋光对目标进行探测，不同的轨道角动量模式会造成不同的频移，结合线性多普勒效应造成的频移可以测量复合运动具体速度成分。由此提出了一种叠加态涡旋光对于复合运动的测量模型，并分析了不同运动状态对探测结果的影响。
旋转多普勒效应 涡旋光 速度探测 rotational Doppler effect vortex beam velocity detection
1 西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西 西安 710048
2 陕西省智能协同网络军民共建重点实验室，陕西 西安 710126
在水下信道中使用涡旋光复用通信技术可以有效提高通信系统的信道容量，然而海洋湍流会引起涡旋光束的模态间串扰，造成通信系统的性能下降。为了缓解模态串扰问题，本文引入基于反向传播（BP）神经网络的盲均衡算法，采取4路涡旋光进行复用传输，使用随机相位屏法模拟海洋湍流，仿真分析了系统在加入BP盲均衡算法后，改变海洋湍流强度、传输距离以及涡旋光复用模式等因素下，系统误码率的改善情况。仿真结果表明，利用BP神经网络的盲均衡算法能够有效降低海洋湍流对系统误码率的影响，且在复用模式间隔选为2时，系统性能改善明显。
海洋光学 涡旋光复用通信 海洋湍流 反向传播神经网络 盲均衡 误码率 激光与光电子学进展
2023, 60(17): 1701001
西安理工大学机械与精密仪器工程学院，陕西 西安 710048
研究了一种对薄片激光晶体进行端面离焦泵浦的涡旋光激光器。泵浦光经过会聚透镜聚焦，当焦点处于薄片Nd∶YAG中时，激光器输出基模。通过移动会聚透镜改变泵浦光焦点，当泵浦光焦点移出薄片Nd∶YAG时，产生1 阶涡旋光，微调输出镜倾斜角度可以改变涡旋光的手性。实验产生了0.57 W的模连续涡旋光以及0.48 W 的模脉冲涡旋光。脉冲涡旋光的重复频率为10 kHz，脉冲宽度为35.2 ns，单脉冲能量为0.048 mJ，峰值功率为1.37 kW。这种方案无需对泵浦光和谐振腔进行特殊设计，具有结构简单紧凑的优点。
激光器 固体激光器 离焦泵浦 涡旋光 调Q 激光与光电子学进展
2023, 60(15): 1514005
1 南京大学固体微结构物理国家重点实验室，江苏 南京 210093
2 南京大学现代工程与应用科学学院，江苏 南京 210093
3 南京大学物理学院，江苏 南京 210093
4 南京工业大学物理系，江苏 南京 211816
提出一种能够同时实现拉盖尔高斯光束倍频和模式转换两种功能的光学超晶格。首先，通过局域相位匹配原理设计得到了实现以上功能所需的超晶格结构函数。不同于常规的多通道周期或啁啾结构，采用局域相位匹配原理得到的是一种具有弯曲畴的超晶格结构，理论上可以减少相差并提高转换效率。其次，讨论了正反两种模式的超晶格结构，两种结构均可以实现非线性模式转换，但正向结构效果更佳。最后，对不同角向指数的拉盖尔高斯光束的模式转换过程进行数值模拟，观察转换得到的厄米高斯光束图像，验证了两种光束模式指数的关系。模拟结果表明，这样设计不仅能够实现不同特殊光束之间的相互转换，而且将倍频和模式转换两种功能集为一体，使得器件更加紧凑。该结构有望推进非线性模式转换器的研究。
涡旋光 模式转换 倍频 弯曲畴 局域相位匹配 光学学报
2023, 43(14): 1419001
上海大学通信与信息工程学院特种光纤与光接入网重点实验室，上海 200444
提出了一种基于环形芯结构的掺铒涡旋光纤。针对该涡旋光纤的放大性能，分析了其高折射率环和掺杂区域宽度对增益性能的影响。仿真结果表明，该光纤可支持1~2阶涡旋光模式，且C波段内的模式增益均高于35.4 dB。通过搭建实验装置对环形芯掺铒涡旋光纤的放大性能进行了测试。实验结果表明，在1530 nm波长处涡旋光的模式增益最大值高达32.6 dB。此环形芯掺铒涡旋光纤可广泛应用在长距离、大容量的空分复用光纤通信等领域中。
光纤光学 掺铒光纤 环形芯光纤 涡旋光模式 增益 中国激光
2023, 50(10): 1006003
