光子的基本维度资源是光通信应用的基础，光子相比电子的独特之处在于其具有多重维度，如波长/频率、复振幅、偏振、时间和横向空间维度。通过对光子的横向空间维度进行操控，能够获得相应的结构光，携带轨道角动量（OAM）的涡旋光就是这里面一种，其空间相位可被调制，并具有无限正交特性，被大范围的应用于天文学、光学操控、显微镜、成像、传感、量子科学和光通信等领域，推动了多个学科的快速发展。

  目前，涡旋光场的产生技术主要是采用腔外转换法，这种无源技术通过在激光谐振腔外放置光学元件来实现高斯光束到涡旋光场的转换，最重要的包含如衍射光学元件、变换光学方法、相位板、基于光纤的器件、光子集成器件和超表面等。但这种方法存在着明显的局限性——产生的涡旋光光场的相位不连续，和诸如转换效率低、转换之后光斑质量差、功率限制、额外增加转换器件等缺点。因此，利用激光谐振腔直接输出涡旋光场的有源方法，即涡旋光激光器具备极其重大的研究意义。

  目前利用激光谐振腔直接产生涡旋光场的主要手段包括，基于分立元器件的涡旋光激光器、基于光纤的涡旋光激光器以及基于集成器件的涡旋光激光器，如图1所示。

  基于分立元器件的涡旋光激光器主要由自由空间中分立的单元光器件组成，输出激光也是直接在自由空间中产生的，具有构造简单、输出光场稳定、输出模式数目多等优点。

  偏振涡旋光（矢量光束）不仅仅具备螺旋相位的特征，还具有空间变化的偏振分布，在激光加工、光场操控等领域具有得天独厚的优势。基于激光谐振腔内锥形布儒斯特棱镜、离焦耦合环形泵浦光、自旋轨道耦合、点缺陷透镜、拉曼激光器、超表面器件等不同分立元器件方案纷纷发展起来，成功获得了偏振涡旋光输出，如图2所示。

  图2 基于不同分立器件：(a)锥形布儒斯特棱镜；(b)离焦耦合环形泵浦光；(c)自旋轨道耦合；(d)点缺陷透镜；(e)拉曼激光器；(f)超表面器件的涡旋激光器

  贝塞尔光束也是一种涡旋光，其具有无衍射特性，被大范围的应用于很多领域。由亚波长结构的微单元组成的阵列光学元件的超表面具有结构紧密相连、相位调节范围大等优点，能轻松实现光学波前的各种操控。基于这种思想，王健教授课题组提出一种产生贝塞尔-高斯（BG）光束的方法，如图3所示。基于模式选择元件(MSE)实现激光器中的选模，在谐振腔的适当位置放置金属纳米线，使得正负阶的BG简并模式具有不一样损耗，以此来实现激光腔的模式选择，输出特定的BG光场；同时仿真表明，调节输出镜半径和MES的参数，也能轻松实现不同阶数BG模式的直接输出。

  在上述基础上，王健教授课题组进一步地演示了一种涡旋模式重构且波长可调谐的涡旋光激光器，其谐振腔包含自由空间部分和光纤部分。该携带轨道角动量（OAM）涡旋光激光器的实验装置图如图4所示。在环形谐振腔插入光隔离器(ISO)使得激光单向传输。模式选择模块(高斯光-涡旋光-高斯光转换模块)能够保证腔内只激发单个涡旋模式模式转换模块分为高斯光到涡旋光、涡旋光到高斯光和涡旋光输出三部分。通过在SLM 上加载不同的相位图，能轻松实现可重构的涡旋光激光器，而可调谐BPF能轻松实现激光器波长调谐。

  在光通信系统中，光纤激光器相比半导体激光器具有更好的稳定性，且光束质量更优，能更好地兼容光纤通信系统，大大降低系统的复杂度和成本。光纤激光器按照谐振腔的类型可分为线形谐振腔和环形谐振腔光纤激光器。其中，线形谐振腔光纤激光器又可以称为分布式反馈激光器，通常由一对光纤布拉格光栅(FBG)构成谐振腔。涡旋光光纤激光器是在此基础上发展起来的，如图5所示。

  图5 基于光纤的涡旋光激光器：(a)基于少模FBG的低阈值单波长偏振涡旋光激光器；(b)基于长周期光栅的低阈值偏振涡旋光激光器；(c)基于一对少模FBG 选模的偏振涡旋光激光器；(d)基于环形腔的高阶涡旋光激光器；(e)基于模式耦合器的涡旋光飞秒激光器 ；(f)基于环形光纤的涡旋光激光器

  王健教授课题组提出了一种线形腔激光器，其谐振腔由光纤上飞秒激光刻写的FBG 和法布里-珀罗干涉仪(FPI)组成，能轻松实现腔内高阶模式的直接谐振输出，是波长可以切换的涡旋光激光器，如图6所示。飞秒激光刻写FBG具备极高的灵活性和可操作性，在光纤中直写光纤光栅，材料不需要具有光敏性，激光直接聚焦到纤芯中，从而引入局域化折射率改变。对于绝大部分透明材料，都能够最终靠这种方式直写光栅或光波导结构，因此能灵活选择加工材料体系。调控移动速度和激光光源的重复频率可改变光栅周期，因此能灵活控制光栅周期。

  近年来，光子集成技术发展迅猛，光学器件的小型化是一种发展的新趋势。相比集成器件的灵活性、可重构、可调谐特性，传统分立元件具有很大的局限性。基于集成器件的涡旋光激光器是极具研究价值的一个方向。

  图7所示的结构可通过低成本的半导体激光器直接发射涡旋光束。通过在垂直腔面发射涡旋光激光器(VCSEL)的孔径内制作微尺度螺旋相位板，VCSEL发射的线偏振高斯光束被转换成涡旋光场及其叠加态的光束，激光器具有高效率和高光束质量。VCSEL器件由于其造成本、高能效、圆对称光束轮廓和高调制带宽，在很多领域都有广泛应用。同时也提供了一种解决低能耗和高速纳米光子学之间长期存在的矛盾的方法，引入了可在太赫兹频率下切换的涡旋光激光器。

  图7 基于集成器件的涡旋光激光器。(a)垂直腔面发射涡旋光激光器(VCSEL)；(b)钙钛矿基涡旋光激光器；(c)基于InGaAsP/InP平台的涡旋光微激光器原理图

  目前，产生涡旋光的集成器件主要是无源器件，且大部分是基于硅基平台的微环光栅器件。基于此，王健教授课题组利用InP平台的微环光栅器件，通过优化结构设计，首次制备了基于电泵浦的高速直调偏振涡旋光激光器。图8给出了分别用于产生角向和径向偏振涡旋光的结构示意图。如图8(a)所示，微腔顶部刻蚀有光栅结构。如图8(b)所示，微腔的顶部和侧壁都刻蚀有光栅结构。图8(c)展示了激光器的主要组成结构，包括衬底、P欧姆接触层、下包层、有源区、上包层、顶部光栅、侧面光栅和N 欧姆接触层。

  图8 微腔激光器结构示意图。(a)产生角向偏振涡旋光的微腔激光器；(b)产生径向偏振涡旋光的微腔激光器；(c)矢量光激光器的横截面

  图9(a1)展示了半径为25 μm 的微腔偏振涡旋光激光器的辐射强度分布。图9(b1)~(e1)所示为微腔偏振涡旋光激光器输出光场经过偏振片之后的光场分布，其中箭头对应偏振片方向，能够准确的看出，射光为径向偏振涡旋光。进一步地，王健教授课题组将微腔偏振涡旋光激光器输出的偏振涡旋光耦合进少模光纤中，实现了少模光纤中本征模式TM01 的激发，经过光纤传输后的光场如图9(a2)所示。王健教授课题组用起偏器对光纤输出光场进行了检测，如图9(b2)~(e2)所示，能够准确的看出，光纤输出光为径向偏振涡旋光。

  图9 涡旋光激光器出射光场和经过光纤传输之后的光场。(a1)远场强度分布；(b1)~(e1)偏振分布；(a2)经2 km光纤传输后的光场强度分布；(b2)~(e2)光纤输出光场的偏振分布特性

  激光器的出现是现代光学发展的一大重要成果，激光不仅揭示了光子的本质特性，帮助人们了解微观世界，还被大范围的应用在工业制造、生物医学、国防军事等领域，推动着现代科技的发展与进步。因此，涡旋光束的产生技术是涡旋光应用的基础，对拓宽涡旋光的应用场景范围至关重要。目前，涡旋光产生主要是通过腔外转换实现的，该方法简单方便，但是存在一些明显的局限性，影响涡旋光的应用。因此涡旋光激光器具备极其重大的研究意义。

  目前针对涡旋光激光器的研究工作处于起步阶段，报道的大部分涡旋光激光器都是连续光激光器，在可调谐性、多波长、高功率和单纵模等特性上有很大的发展空间。图10给出了涡旋光激光器未来发展的趋势和展望。

  前文提到的涡旋光激光器大多分布在在相位涡旋光激光器和偏振涡旋光激光器，更加全面的广义上的结构光激光器是值得研究的一个方向。涡旋光激光器可以拓展为脉冲涡旋光激光器，进一步地，通过结合不同的维度、时域和空间域，涡旋光激光器可以拓展为时空锁模脉冲激光器。上述这些发展的新趋势在实现方法上并不局限于某一种特定的类型，基于分立元件、光纤和集成器件的涡旋光激光器都能轻松实现。当然，不一样的激光器具有自身不同的特性，需要改进和提升的方向也各有不同。

  本文改写自《中国激光》——“涡旋光激光器研究进展”一文返回搜狐，查看更加多