Light丨飞秒多边形涡旋脉冲激光器
近日，华中科技大学光学与电子信息学院张金伟教授课题组报道了飞秒尺度多边形光学涡旋脉冲的产生，通过搭建基于半导体可饱和吸收镜的全固态飞秒激光器，调整腔型结构实现不同准频率简并态下的激光可调谐输出，利用模式转换器获得具有四边形、五边形、六边形光强结构的飞秒多边形光学涡旋。该研究采用紧凑锁模固体激光器，提供了一种产生新型多边形飞秒涡旋光的可靠方案，为飞秒光镊和三维微结构制造领域的新应用开辟了道路。
该研究成果以“Generation of femtosecond polygonal optical vortices from a mode-locked quasi-frequency-degenerate laser”为题发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》上。华中科技大学博士研究生刘洪宇、闫力松副教授和王亮教授为本文的共同第一作者，张金伟教授为本文的通讯作者。
研究背景
涡旋光束凭借其独特的波前相位奇点与轨道角动量特性，在光通信、微粒操控等领域具有广泛的应用前景。近年来，飞秒光学涡旋（FOVs）脉冲因其融合螺旋相位波前与超快激光特性，在阿秒涡旋光产生、强场物理研究等方向展现出突破性潜力。值得关注的是，该领域已在可调谐拓扑荷数、脉冲压缩及功率提升等关键技术环节取得系列进展。与此同时，多边形光学涡旋（POVs）作为新型结构光场，通过打破传统涡旋光束的环状对称性，利用其非对称多边形强度分布为光场调控开辟了全新维度。当前其主流生成方案依赖空间光调制器、超表面等腔外相位调制器件，然而这些方法面临空间色散效应、光学损伤阈值限制及光谱宽度受限等问题。基于激光器高阶横模激发结合模式转换器提供了一种产生POVs的有效方案，利用该方法已经成功实现连续光POVs，但实现纵模锁定的超快POVs脉冲仍属技术空白。将POVs拓展至飞秒时间尺度形成飞秒多边形光涡旋（FPOVs），将实现超快时域特性与空间结构特性的协同调控，有望在飞秒光镊动力学操控、三维微结构非线性加工等前沿领域开辟新的应用。
创新研究
本研究提出了一种基于准频率简并（QFD）态被动锁模全固态激光器的多边形飞秒光学涡旋（FPOVs）生成方法。实验系统如图1所示，主要包括半导体可饱和吸收镜（SESAM）锁模飞秒激光器和马赫-曾德尔干涉仪两部分。通过调控泵浦光斑位置，使激光器工作于高阶横向厄米-高斯（HG）模式，随后通过优化谐振腔构型参数，改变腔内的纵模间隔与横模间隔比，实现不同的准频率简并厄米-高斯（QFD-HG）模式产生。利用模式转换器可以将QFD-HG模式转换为具有四边形、五边形、六边形光强结构的飞秒多边形光学涡旋。同时利用马赫-曾德尔干涉仪进行干涉测量，可以对FPOVs的基本相位特性进行表征分析。
图1. 实验装置简介图(a)SESAM全固态飞秒激光器(b)马赫-曾德尔干涉仪。
实验采用基于平移的离轴泵浦方案，通过调整泵浦光位置使激光器工作在高阶HG模式下。通过精确调整SESAM与相邻镜片之间的距离，可以改变激光谐振腔的单向传输矩阵，从而改变横纵模间隔比，使激光器工作在准频率简并QFD态。在实验过程中，随着 L 的增加，横纵模式间隔比可以实现从 1/4、1/5到 1/6 的调节，振荡器输出模式变为由多个锁相厄米-高斯模式组成的准频率简并态（QFD-HG 模式）。在此基础上，通过模式匹配和谐振腔优化，利用SESAM实现纵模锁定，从而获得具有飞秒持续时间的QFD-HG脉冲。通过模式转换器，飞秒QFD-HG脉冲被转换为具有四边形、五边形、六边形光强结构的飞秒多边形光学涡旋（如图2所示）。
图2. 被动锁模获得的不同形状的FPOVs脉冲。
实验中测量了多边形飞秒涡旋光脉冲的干涉条纹，对多边形飞秒涡旋光脉冲的拓扑荷数进行了分析。实验结果表明，所获得方形FPOV在光束中心具有6个拓扑电荷，在方形光束图案的角落包含4个拓扑电荷。类似的，对于五边形和六边形FPOVs，光束中心有11个拓扑电荷，而在光束图案的角落分别具有5个和6个电荷。同时基于傅里叶变换方法对相位进行了恢复，与理论模拟结果具有很好的符合性。
总结与展望
本文报道了一种基于离轴泵浦方案的SESAM锁模Yb:KGW固体激光振荡器，通过改变腔长和调整激光谐振腔结构，可以产生具有四边形、五边形和六边形图案的不同强度结构的飞秒涡旋脉冲，在飞秒涡旋光束中引入了一个新的自由度。该研究在国际上首次实现了基于全固态激光振荡器的飞秒多边形光学涡旋（FPOV）脉冲直接产生，为不同形状FPOV脉冲的产生提供了一种高效、便捷的途径，在材料精密加工和飞秒光镊领域具有广阔应用前景。
论文信息
Liu, H., Yan, L., Wang, L. et al. Generation of femtosecond polygonal optical vortices from a mode-locked quasi-frequency-degenerate laser. Light Sci Appl 14, 222 (2025).
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