光学涡旋因其特殊的特性（包括轨道角动量（OAM）、奇异性和手性）而受到广泛关注[1]。凭借这些独特特性，光学涡旋已被应用于粒子控制、二维材料检测等科学研究领域[[2], [3], [4], [5], [6]]。为了灵活生成光学涡旋或其他类型的结构化光，基于液晶的相位控制元件（如空间光调制器（SLM）或Q板）是理想的选择[1,5,7,8]。然而，这些元件通常受到损伤阈值和适用波长范围的限制。因此，标准的光学涡旋波长仍主要集中在可见光到近红外区域，这限制了它们的应用潜力。例如，需要波长可调的中红外（MIR）激光器来观察材料的光学相互作用[9,10]。因此，尤其是在MIR区域实现波长多样化的光学涡旋，将引发大量研究兴趣，例如用于表征分子的OAM特性。
在所有MIR光学涡旋生成方法中，最常用的是利用1064纳米泵浦波的光学参量振荡器（OPO）[11], [12], [13], [14]。这种方法的缺点是泵浦波必须先转换为高峰值功率的光学涡旋，这限制了其输出效率和可调性。此外，OPO谐振器需要精心设计，以避免与最强基模的增益竞争[13,14]。信号波和闲频波之间的非相同输出也可能导致输出不确定性[13,14]。我们之前的研究表明，使用偏轴泵浦OPO方法可以生成高阶Hermite Gaussian（HG）模式，从而实现更高的转换效率[15]。泵浦波可以在HG0,0模式下保持最高输出，此时所需的二极管泵浦功率小于2瓦。相应的光学涡旋可以通过像差模式转换器进一步生成。这种方法可以灵活调节高阶模式的阶数[15,16]。只要OPO能够实现，波长也具有广泛的可调性。在二极管泵浦的固态激光系统中，偏轴泵浦生成高阶HG模式的方法已经得到了充分研究。然而，在OPO中的应用却较少讨论。表1展示了使用OPO生成光学涡旋的参考结果对比，表明我们的方法不需要将输入激光转换为光学涡旋后再照射到OPO上。因此，可以使用常见的低功率激光器来灵活选择所需的输入激光条件，而无需使用高峰值功率或复杂锁模激光器。此外，输出模式也可以灵活调节为更高阶的模式，包括二维输出。不过，由于二极管泵浦功率的限制，我们之前的研究仅展示了数十毫瓦输出功率的、对人眼安全连续波信号波输出。此外，输出还会受到腔内OPO配置的显著影响[[17], [18], [19], [20]]。理论上难以分析输出特性或进一步优化。因此，MIR输出的可行性、功率扩展以及偏轴泵浦OPO的建模值得进一步探索。
在这项工作中，我们研究了采用Q开关高峰值功率泵浦波的腔外偏轴泵浦OPO。首先使用相对较小的被动Q开关（PQS）激光器验证了高阶HG模式生成的可行性。通过使用单共振OPO，分别成功生成了信号波振荡的高阶HG5,0模式和闲频波振荡的高阶HG3,0模式。换句话说，使用所提出的方法可以实现既对人眼安全又具有MIR特性的高阶HG模式。我们进一步从理论上研究了泵浦波偏轴位移对阈值条件的依赖性，并推导出了泵浦波与振荡OPO波模式尺寸匹配的横向重叠因子。阈值条件可以通过简单的拟合参数计算得出。实验结果与信号波振荡结果吻合良好。另一方面，由于MgO:PPLN晶体在MIR区域的强吸收，闲频波振荡可能受到影响，因此理论上计算的偏轴位移比实验值要大。在验证可行性后，我们应用能量扩展技术实现了高峰值功率输出。信号波输出能够达到千瓦级峰值功率，并生成可调的高阶HG模式，最高可达HG9,0。HG模式通过像差模式转换器成功转换为光学涡旋。该方法为波长多样化的光学涡旋生成提供了一种简单的方法，并且可以灵活调节阶数。理论分析有助于设计偏轴泵浦条件。此外，这种方法也非常适用于更复杂的结构化光生成[21,22]。
