通过离轴针泵浦，在Nd:YVO 4自拉曼激光器中可控地直接生成结构化光

基于紧凑型二极管泵浦Nd:YVO4自拉曼激光器，通过调整输入镜位置和倾斜角度，实现了1176nm波长下HG、LG、HLG、IG及OVL等多种空间结构光的直接生成，其中LG0,1模式在13.08W吸收泵浦功率下获得1.008W输出（7.7%效率），首次在连续波系统中成功生成IG和OVL模式，为光捕获和生物医学技术提供新光源。

　　

冯彦东|卢建安|周崇|刘金燕|钱琴宇|胡优优|范莉

中国扬州大学应用光子技术研究所物理科学与技术学院，扬州225002

摘要

高功率、空间结构化的激光束在成像和操控等领域具有巨大的应用潜力。本研究展示了如何利用一个紧凑的、由二极管泵浦的Nd:YVO₄自拉曼激光器（波长1176纳米）直接生成多种结构化光束，包括Hermite-Gaussian（HG）、Laguerre-Gaussian（LG）、Hermite-Laguerre-Gaussian（HLG）、Ince-Gaussian（IG）和光学涡旋晶格（OVL）光束。一种新颖的离轴针状泵浦几何结构使得仅通过调整输入镜的位置和倾斜角度即可按需选择模式。在泵浦功率为13.08瓦时，该系统能够输出最大1.008瓦的LG_0,1模式激光能量（光转换效率为7.7%），而其他高阶模式的功率范围在0.26瓦到0.9瓦之间。据我们所知，这是首次在1176纳米波长下展示出能够直接生成如此广泛结构化光束的紧凑型连续波拉曼激光器，为光学捕获和生物医学技术提供了多功能的新光源。

引言

在过去几十年中，空间结构化光[1]、[2]、[3]因其独特的物理特性和广泛的应用而引起了研究人员的极大兴趣。常见的空间结构化光类型包括Hermite-Gaussian（HG）光束、Laguerre-Gaussian（LG）光束、Bessel光束、Ince-Gaussian（IG）光束，以及具有多个相位奇点的更复杂结构如光学涡旋晶格（OVL）光束。其中，LG和OVL光束特别受到关注，因为它们具有螺旋相位波前并携带轨道角动量（OAM），在量子/光学通信[4]、[5]、超分辨率成像[6]、[7]、光学捕获与操控[8]、[9]以及纳米/微纳制造[10]、[11]等领域有重要应用。这极大地推动了结构化光领域的研究与发展。为了直观表示不同OAM携带结构模式之间的叠加和转换，引入了等效轨道庞加莱球（eOPS）的概念[12]、[13]、[14]。类似于用于描述偏振状态的庞加莱球，eOPS提供了一个统一的几何框架，在该框架中，特征点（北极和南极）对应于具有相反拓扑电荷的正交LG涡旋模式。球面上的其他点代表由这些基础模式相干叠加形成的结构化场，例如HG和Hermite-Laguerre-Gaussian（HLG）模式。已经使用各种腔体配置[15]、[16]、[17]、[18]、[19]成功实现了从激光腔体直接生成结构化光。然而，这些独特光束的广泛应用需要宽频谱覆盖。因此，非线性频率转换技术成为实现这一目标的有效手段。

已经研究了多种涉及空间结构化光的非线性频率转换技术，包括二次谐波生成（SHG）[20]、[21]、和频生成（SFG）[22]、高阶谐波生成（HHG）[23]、[24]、受激拉曼散射（SRS）[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]以及光学参量振荡（OPO）[36]、[37]。其中，SRS是一种广泛用于激光波长转换的众所周知的三阶非线性过程。除了频率转换的核心功能外，它还具有自动相位匹配、光束净化效果和高效脉冲压缩等优势。通过在拉曼活性晶体中利用SRS效应，固态拉曼激光器可以生成宽频谱范围内的红外输出——通过集成SHG和SFG过程可以扩展到可见光范围。与外部腔体拉曼转换相比，内部腔体拉曼激光器具有结构更简单、体积更紧凑和效率更高的优点。迄今为止，已在固态拉曼激光器中成功展示了三种直接生成空间结构化光的方法：斑点缺陷镜[26]、[27]、[28]、环形泵浦[29]、[30]、[31]和离轴泵浦[33]、[34]、[35]。早在2013年，A. J. Lee等人就在Nd:GdVO₄自拉曼激光器中首次使用斑点缺陷镜实现了离轴涡旋光束的生成，输出了1173纳米的LG_0,1模式激光[26]。后续工作添加了SHG和SFG过程，生成了586纳米和559纳米的可见光涡旋光束[27]、[28]。2020年，马勇勇等人在Nd:GdVO₄自拉曼激光器中使用环形泵浦生成了1108纳米和1173纳米的双波长LG_0,1模式输出[29]。最近，董杰的研究小组通过环形泵浦在Yb:YAG/YVO₄微芯片拉曼激光器中生成了各种标量和矢量涡旋LG_0,l模式光束[30]、[31]、[32]。然而，斑点缺陷镜和环形泵浦方法仅限于生成LG模式激光，无法生成更复杂的结构化光场。

与上述方法不同，离轴泵浦通过位移调整实现了对模式增益分布的灵活控制，从而促进了多种结构化光的生成。因此，它被广泛应用于可见光和1-微米固态基础激光器中，以生成各种结构化光束[38]、[39]、[40]。然而，较大的离轴位移会导致显著的光学损耗并提高SRS阈值，从而阻碍了斯托克斯波长的结构化光生成。因此，关于离轴泵浦拉曼激光器的研究起步较晚，且研究范围相对有限。2015年，C. Y. Lee等人首次在离轴泵浦的YVO₄/Nd:YVO₄自拉曼激光器中生成了高阶HG_m,0模式（其中m≤28），在1176纳米波长下，当泵浦功率为18.6瓦时，m=0–3模式的输出功率超过了1瓦[33]。2022年，这种方法被扩展到在Nd:YVO₄/KGW拉曼激光器中通过内部SHG生成了频率加倍的588纳米HG_m,0模式[34]。最后，这些HG模式通过外部模式转换器转换为高阶LG涡旋光束。最近，在Nd:GdVO₄自拉曼激光器中使用一种新型的离轴针状泵浦几何结构生成了瓦级的连续波（CW）LG_0,1涡旋光束。该配置结合了离轴泵浦和扩展共焦长度的针状泵浦轮廓，通过使用具有强球面像差的透镜将泵浦能量限制在狭窄的轴向区域内。在8.6瓦的泵浦功率下获得了最大1.2瓦的LG_0,1输出，转换效率为14.0%[35]。然而，这些研究中生成的激光模式仅限于LG或HG模式，其他复杂结构化模式——特别是光学涡旋晶格（OVL）模式——在CW拉曼激光器中尚未实现。尽管在1064纳米的基础微芯片激光器中已经实现了IG和OVL模式[41]、[42]，但它们在CW拉曼系统中的直接生成尚未有报道。因此，探索在CW拉曼激光器中直接生成可控、多功能结构化模式的可行性至关重要。

在本文中，我们展示了一种基于内部Nd:YVO₄自拉曼方案的紧凑型、连续波（CW）结构化光激光器，工作波长为1176纳米。通过采用离轴针状泵浦几何结构，该系统能够选择性地生成多种结构化光模式，超出了之前在类似波长下拉曼激光器中展示的HG和LG模式。可以直接访问的模式包括HG、LG和HLG模式，其状态可以映射到eOPS上。最重要的是，通过简单调整输入镜的位置和倾斜角度，系统可以直接生成更高阶的模式，如IG模式，尤其是OVL模式。这一能力显著扩展了固态拉曼激光器中可实现的模式多样性，成功实现了以前在这些系统中无法实现的复杂结构。

实验装置

图1(a)展示了CW Nd:YVO₄自拉曼结构化光激光器的实验示意图。泵浦源是一个光纤耦合的879纳米激光二极管（LD），其核心直径为200微米，数值孔径（NA）为0.22。泵浦光束通过两个平凸透镜L1（f=75毫米）和L2（f=50毫米）准直并聚焦到激光晶体中。为了生成针状泵浦轮廓，两个平凸透镜的凸面都朝向泵浦源。

结果与讨论

最初，当激光系统采用轴心泵浦配置（所有腔体组件共线对齐）时，在2.1瓦的泵浦功率下生成了高斯模式拉曼输出。为了生成高阶HG模式输出，泵浦功率增加到13.08瓦，然后IM沿y方向逐渐移出轴心。HG模式的理论强度分布使用参考文献[14]中的以下表达式（方程（3）进行模拟。

结论

总之，我们基于二极管泵浦的Nd:YVO₄自拉曼激光器和离轴针状泵浦技术，成功实现了一种紧凑且高效的1176纳米结构化光源。该系统能够通过简单调整输入镜直接生成多种结构化光束，不仅包括基本的HG和LG模式，还包括更高阶的IG和OVL模式。值得注意的是，在13.08瓦的泵浦功率下，激光器可以输出高达1.008瓦的LG_0,1模式激光能量（效率为7.7%）。

作者贡献声明

冯彦东：撰写——原始草稿、研究、形式分析、数据管理。卢建安：验证、研究、形式分析。周崇：可视化、形式分析。刘金燕：软件开发、形式分析。钱琴宇：监督、资源协调。胡优优：监督、资源协调。范莉：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目规划、资金获取、形式分析、概念构思。

资助

本研究得到了中国国家自然科学基金[12234009,11774301]的支持。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：李范报告称获得了中国国家自然科学基金的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所报道的工作。