涡旋光束(精)/变革性光科学与技术丛书

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第3章涡旋光束的生成技术 涡旋光束的生成是研究其性质与应用的重要基础。 由于角量子数l是涡旋光束的特征值，它决定了涡旋光 束中每一个光子携带的轨道角动量的多少，因此涡旋光 束生成的目的是获得任意阶次l的涡旋光束。目前国内 外学者在涡旋光束生成方面开展了很多的研究，提出了 腔内选模法、腔外转化法、集成光电子器件法等多种生 成方法。本章将介绍一些主要的涡旋光束生成方法。 3.1腔内法 3.1.1腔内选模 第1章已经介绍了拉盖尔高斯光束是一种典型的 相位涡旋光束。在柱对称稳定谐振腔中，拉盖尔高斯 光束可由缔合拉盖尔多项式和高斯分布函数的乘积来描 述。通过调节腔镜等激光谐振腔器件的参数，可实现拉 盖尔高斯光束的输出。 塔姆(C.Tamm)于1988年和1990年分别报道了直接 由激光谐振腔获得拉盖尔高斯模的方法［1,2］，该 方法通过在激光谐振腔内引入低阶模式的损耗，使基模 的损耗较大而无法谐振，而使高阶横模(拉盖尔高斯 光束)更容易产生，从而获得所需的涡旋光束。但是这 种腔内选模方法损耗大，不易产生角量子数较大的模式 ，同时也不易获得较高功率的涡旋光束输出。 除了在谐振腔内引入基模损耗外，还可通过改变泵 浦光的光斑形态来实现高阶模的输出。例如，当采用环 形泵浦光时，通过调节谐振腔的参数，可获得(| +1〉+|-1〉)叠加态。此时在谐振腔内引入特殊角度放 置选模标准具，可使其中的某一个模式振荡同时抑制另 一模式，从而获得单一模式(|+1〉或|-1〉)的涡旋光束 ［3］。相比于谐振腔内抑制基模振荡，该方法的效率 更高。然而，若要生成其他阶次的涡旋光束，需要改变 泵浦光的形态并调整标准具的摆放角度，这导致不能灵 活生成不同阶次的涡旋光束。 3.1.2数字激光器 传统的激光器一般只能生成单一的激光模式，若要 获得其他模式，必须适当改变谐振腔的参数。如果可以 设计一种激光器，在不改变谐振腔结构的情况下，即可 实现任意模式的输出，则对于包括涡旋光束在内的任意 激光模式的生成具有重要的意义。近年来，人们提出一 种数字激光器的设想，可采用计算机控制，通过不同电 信号的输入，在不改变谐振腔结构的情况下获得任意激 光模式的输出。 数字激光器最早由恩格库波(S.Ngcobo)等提出［4 ］，其原理是将激光谐振腔的一个腔镜(通常为全反镜) 用反射式液晶空间光调制器(关于液晶空间光调制器的 具体原理，将在3.3.1节具体讨论)代替，与另一腔镜构 成激光谐振腔实现激光输出。通过控制加载到空间光调 制器上的调制图样，该激光器可以产生多种激光模式， 包括多种不同阶次l的涡旋光束。图3.1.1为恩格库波等 提出的数字激光器的工作原理图［4］，该激光器由半 导体激光器泵浦，激光增益介质为Nd:YAG晶体，谐振腔