研究背景

空間結構光場具有空間相位及偏振態分布特性，在超分辨成像、微粒操控、非線性光學以及大容量光通信等領域有著重要的研究價(jia) 值。通常采用空間光調製器(SLM)、相位螺旋板和q板等器件產(chan) 生矢量光場，然而往往受器件的功率、熱損傷(shang) 閾值和光能量利用率等限製，此外還存在價(jia) 格昂貴、空間光路結構複雜和易受環境幹擾等問題。基於(yu) 空間光路的光場調控方案產(chan) 生的新型光場平均功率、脈衝(chong) 能量和峰值功率等，性能上已經遇到了瓶頸。

超短激光脈衝(chong) 微加工已經在工業(ye) 領域得到廣泛應用。相比於(yu) 高斯光束，環形柱矢量光束具有中空強度分布，可以用於(yu) 特殊激光切割場景，如IPG和飛博激光推出的商用環形激光器。在光纖激光係統中基於(yu) 光纖本征模式的光場調控和模式相幹控製，為(wei) 新型光場調控提供了新的思路。光纖中不同高階矢量模場是光纖本征模式，其能夠在光纖中穩定有效地傳(chuan) 輸，抗幹擾能力強，同時具有全光纖結構緊湊、製作簡單、成本低廉、損耗低等優(you) 點。目前光纖模式轉換器主要基於(yu) 少模光纖中產(chan) 生和傳(chuan) 輸高階模式，具體(ti) 方式有錯位激發、光柵模式耦合、光纖倏逝場耦合以及聲光模式耦合這幾類。

研究亮點

針對以上問題，近年來上海大學特種光纖重點實驗室曾祥龍教授課題組，提出將光纖模式器件（模式選擇耦合器、聲致光柵和寬帶長周期光柵等）與(yu) 光纖激光技術相結合，通過腔內(nei) 高階橫式參與(yu) 激光振蕩，實現可見光到近紅外激光中產(chan) 生高階橫模的激光鎖模技術，能產(chan) 生具有不同偏振分布的柱矢量和渦旋光束。課題組已經在1.5 μm和1.0 μm激光波段以及可見光波段實現了光纖模式選擇耦合器，利用光纖中高階模式矢量特性產(chan) 生環形光場和渦旋光場。

圖1 (a) 基於(yu) 級聯MSC的鎖模摻鐿光纖激光器示意圖；(b) 線偏振LP11模場、環狀渦旋光場分布及其一階拓撲數幹涉圖樣；(c) 級聯MSC的纖芯模式轉換示意圖

圖2 腔內(nei) 高階模式振蕩輸出的鎖模光譜和脈衝(chong) 序列

研究團隊提出了一種可以實現光纖高階模式（HOM）在激光腔內(nei) 振蕩的鎖模摻鐿光纖激光 器 1。通過使用一對級聯的模式選擇耦合器（MSC）作為(wei) 有效的模式轉換器，在1.0 μm波長處獲得腔內(nei) HOM振蕩的光纖鎖模激光。該方法能夠在少模光纖腔內(nei) 摻鐿光纖激光器實現鎖模脈衝(chong) ，並在腔內(nei) 激光振蕩純度高的高階模式脈衝(chong) 激光。

另外，MSC也可以應用到可見光波段(400–800 nm)。STED顯微技術中環狀光束大多數采用自由空間光器件產(chan) 生，此方法成本高、穩定性差，需要空間傳(chuan) 輸中損耗光和激發光束嚴(yan) 格重合，且光路準直操作複雜。而全光纖結構的產(chan) 生機製具有結構緊湊、穩定性強和成本低等優(you) 勢，對於(yu) 環狀光束的激發具有重要的研究意義(yi) 。

課題組還製備了可見光波段的全光纖模式選擇耦合器(MSC)，並將其作為(wei) 環狀光束的產(chan) 生器件以及任意波長高斯光束的複用器件，輸出的光束具有嚴(yan) 格光束複用特性。此外，還進行了共聚焦顯微實驗，測量了環狀光束的點擴散函數，其高消光比驗證了光纖MSC可作為(wei) STED顯微術中的光源2。光纖MSC具有的高緊湊性、高穩定性和光束空間嚴(yan) 格重合特性，可應用於(yu) 全光纖STED顯微光源係統。

可見光MSC的單模端可采用不同波長耗散光的基模輸入，經過MSC轉化為(wei) 損耗光環狀光束並從(cong) FMF輸出端輸出，未發生模式轉化的能量從(cong) 單模光纖輸出端輸出，激發光基模從(cong) MSC的少模光纖端輸入，經過MSC與(yu) 激發光複用並一起從(cong) 少模光纖端輸出，光束還是基模分布。圖3給出了可見光MSC輸出不同波長波段的環狀光束、高斯光束以及兩(liang) 光束複用的光場分布。實驗獲得了環狀光束的點擴散函數，其半高全寬為(wei) 182 nm。

圖3 可見光MSC的光束複用工作機理及其輸出特性表征

下一步課題組將通過光纖模式係統實現不同特性的光場調控，相比於(yu) 空間光路係統，具有高靈活性和高穩定性，研究高功率激光空間結構光場和光纖STED環形光束產(chan) 生傳(chuan) 輸應用。研究工作得到了國家自然科學基金、上海市科委項目和東(dong) 方學者項目的資助。

參考文獻

1. 堯涵, 石帆, 黃譯平, 等. 基於(yu) 模式耦合器的鎖模摻鐿光纖激光器[J]. 光電工程, 2020, 47(11): 200040；Yao H, Shi F, Huang Y P, et al. Mode-locked Yb-doped fiber laser based on mode coupler[J]. Opto-Electronic Engineering, 2020, 47(11): 200040.

2. Yao H, Shi F, Wu Z Y, et al. A mode generator and multiplexer at visible wavelength based on all-fiber mode selective coupler. Nanophotonics, 2020, 9(4): 973-981.

研究團隊簡介

上海大學特種光纖重點光纖實驗室曾祥龍教授，現任上海市高校特聘教授（東(dong) 方學者），曾獲得歐盟“瑪麗(li) 居裏”國際來訪學者、上海市“曙光”學者人才計劃、上海大學優(you) 秀青年教師和日本學術振興(xing) 學會(hui) （JSPS）外國人特別研究員。其課題組主要從(cong) 事非線性超快光學、特種光纖器件及其傳(chuan) 感技術的研究。近年來，在Nanoscale, OpticsLetters, Photonics Research, Nanophotonics, Applied Physics Letters, Optics Express 等國際學術期刊上發表期刊論文60餘(yu) 篇。