光学参量振荡器实现中红外飞秒涡旋光束

涡旋光束是具有螺旋波前相位和轨道角动量的圆环形光束，在光通信、超分辨显微镜、光镊和材料烧蚀等领域有着广泛的应用。飞秒涡旋光束结合了传统飞秒激光和涡旋光束的优点，在飞秒微纳操纵、飞秒微加工、飞秒激光成丝光学、质子加速、利用激光产生极高次谐波轨道角动量光束等一系列应用领域显示出巨大的潜力。

目前，对飞秒涡旋光束的研究大多集中在近红外区域，但许多应用需要扩展飞秒涡旋光束的波长范围。例如，中红外区域包含了大多数有机材料的吸收带；该区域中的涡旋光对于将手性材料的加工扩展到中红外具有吸引力。在高次谐波产生中，强激光场驱动电子的有质动能与波长的平方成正比，因此，波长较长的涡旋光束有利于产生携带轨道角动量的光子能量较高的极紫外光束。在飞秒光阱中，粒子获得的轨道角动量随入射飞秒涡旋光束波长的增加而增加。因此，如果能将飞秒涡旋光束的波长扩展到中红外波段，其应用领域将进一步扩大。

近年来，研究人员利用螺旋位相板产生的近红外飞秒涡旋光束泵浦的光学参量放大系统产生中红外飞秒涡旋，但光学参量放大系统体积庞大、结构复杂，需要高能量的泵浦源系统，限制了其广泛应用。此外，采用高阶横模锁模固体激光器与柱面透镜模式转换器相结合产生中红外飞秒涡旋，一般需要高增益的激光介质，因此，涡旋光束的可用波长受到限制，目前还没有关于产生中红外飞秒涡旋光束的研究。

实验中，同步泵浦光参量振荡器产生中红外飞秒涡旋光束的实验装置，如图1所示。光参量振荡器的泵浦源是基于掺镱光纤的主振荡功率放大器，它产生的脉冲宽度为800 fs，重复频率为84.2 MHz，光谱宽度为1.9 nm，中心波长为1030 nm。为了消除不利的反馈，法拉第隔离器被安置在光参量放大的出口附近。第一个?/2波片将激光器的偏振方向旋转到隔离器的传输方向。第二个?/2波片控制激光器的偏振方向，以达到最佳的相位匹配。利用焦距为100 mm的圆柱透镜C1将泵浦激光聚焦到MgO:PPLN晶体中，形成椭圆形光斑，长轴垂直方向为1160 µm，短轴水平方向为180 µm。一个MgO: PPLN晶体作为光学参量振荡器的非线性晶体，长为2 mm，横截面积为1 mm×1.5 mm，偏振周期为31 µm MgO: PPLN晶体由温度范围从室温到200°C可调的烤箱控制MgO: PPLN晶体对泵浦波长和空转波长进行了抗反射涂层，从2.15-2.65 µm的透射率高达99.6%以上，从1.02-1.08 µm的透射率高达95%以上。平凹面镜M1和M2的曲率半径为100 mm。平面镜M3安装在平移台上，用于微调腔长。M1、M2和M3在2.2-2.6 µm范围内具有超过99.5%的高反射率，在1.02-1.04 µm和1.8-2.1µm范围内具有超过90%的高透射率。平镜M4是镀金镜。输出耦合器的透射比为3%，从2.2-2.6 µm。使用焦距分别为200和100 mm，间距为260 mm的球面透镜L1和L2将输出厄米-高斯光束重新成像到柱透镜C2和C3之间的中心位置。将焦距为50 mm、间距为70 mm的圆柱形透镜C2和C3放置在与水平方向成45°的位置。C2和C3构成一个模式转换器，将厄米-高斯光束转换成涡旋光束。

实验中，研究人员通过控制泵浦光束与空转光束的夹角来选择光学参量振荡器中的高阶横模。对于非共线泵浦，高阶横模将覆盖更大的泵浦体积并具有更高的平均增益。在晶体中，当抽运光束与空转光束成一定的夹角时，总是存在一个高阶横模，它的抽运阈值最低，因而在腔中起主导振荡作用，其它模则被模竞争所抑制。在实验中，通过调整输出耦合镜的俯仰角，从光学参量振荡器获得一阶到六阶厄米-高斯光束（图2插图）。值得注意的是，用柱面透镜将泵浦光聚焦成椭圆，有助于获得高阶Hermite-Gauss模。实验中，研究人员获得了高达六阶的厄米-高斯光束。实际上，通过将泵浦光聚焦到一个具有较大纵横比的椭圆光斑中，可以期望从光参量振荡器中产生高阶厄米-高斯光束。