研究背景

空间结构光场具有空间相位及偏振态分布特性，在超分辨成像、微粒操控、非线性光学以及大容量光通信等领域有着重要的研究价值。通常采用空间光调制器(SLM)、相位螺旋板和q板等器件产生矢量光场，然而往往受器件的功率、热损伤阈值和光能量利用率等限制，此外还存在价格昂贵、空间光路结构复杂和易受环境干扰等问题。基于空间光路的光场调控方案产生的新型光场平均功率、脉冲能量和峰值功率等，性能上已经遇到了瓶颈。

超短激光脉冲微加工已经在工业领域得到广泛应用。相比于高斯光束，环形柱矢量光束具有中空强度分布，可以用于特殊激光切割场景，如IPG和飞博激光推出的商用环形激光器。在光纤激光系统中基于光纤本征模式的光场调控和模式相干控制，为新型光场调控提供了新的思路。光纤中不同高阶矢量模场是光纤本征模式，其能够在光纤中稳定有效地传输，抗干扰能力强，同时具有全光纤结构紧凑、制作简单、成本低廉、损耗低等优点。目前光纤模式转换器主要基于少模光纤中产生和传输高阶模式，具体方式有错位激发、光栅模式耦合、光纤倏逝场耦合以及声光模式耦合这几类。

研究亮点

针对以上问题，近年来上海大学特种光纤重点实验室曾祥龙教授课题组，提出将光纤模式器件（模式选择耦合器、声致光栅和宽带长周期光栅等）与光纤激光技术相结合，通过腔内高阶横式参与激光振荡，实现可见光到近红外激光中产生高阶横模的激光锁模技术，能产生具有不同偏振分布的柱矢量和涡旋光束。课题组已经在1.5 μm和1.0 μm激光波段以及可见光波段实现了光纤模式选择耦合器，利用光纤中高阶模式矢量特性产生环形光场和涡旋光场。

图1 (a) 基于级联MSC的锁模掺镱光纤激光器示意图；(b) 线偏振LP11模场、环状涡旋光场分布及其一阶拓扑数干涉图样；(c) 级联MSC的纤芯模式转换示意图

图2 腔内高阶模式振荡输出的锁模光谱和脉冲序列

研究团队提出了一种可以实现光纤高阶模式（HOM）在激光腔内振荡的锁模掺镱光纤激光 器 1。通过使用一对级联的模式选择耦合器（MSC）作为有效的模式转换器，在1.0 μm波长处获得腔内HOM振荡的光纤锁模激光。该方法能够在少模光纤腔内掺镱光纤激光器实现锁模脉冲，并在腔内激光振荡纯度高的高阶模式脉冲激光。

另外，MSC也可以应用到可见光波段(400–800 nm)。STED显微技术中环状光束大多数采用自由空间光器件产生，此方法成本高、稳定性差，需要空间传输中损耗光和激发光束严格重合，且光路准直操作复杂。而全光纤结构的产生机制具有结构紧凑、稳定性强和成本低等优势，对于环状光束的激发具有重要的研究意义。

课题组还制备了可见光波段的全光纤模式选择耦合器(MSC)，并将其作为环状光束的产生器件以及任意波长高斯光束的复用器件，输出的光束具有严格光束复用特性。此外，还进行了共聚焦显微实验，测量了环状光束的点扩散函数，其高消光比验证了光纤MSC可作为STED显微术中的光源2。光纤MSC具有的高紧凑性、高稳定性和光束空间严格重合特性，可应用于全光纤STED显微光源系统。

可见光MSC的单模端可采用不同波长耗散光的基模输入，经过MSC转化为损耗光环状光束并从FMF输出端输出，未发生模式转化的能量从单模光纤输出端输出，激发光基模从MSC的少模光纤端输入，经过MSC与激发光复用并一起从少模光纤端输出，光束还是基模分布。图3给出了可见光MSC输出不同波长波段的环状光束、高斯光束以及两光束复用的光场分布。实验获得了环状光束的点扩散函数，其半高全宽为182 nm。

图3 可见光MSC的光束复用工作机理及其输出特性表征

下一步课题组将通过光纤模式系统实现不同特性的光场调控，相比于空间光路系统，具有高灵活性和高稳定性，研究高功率激光空间结构光场和光纤STED环形光束产生传输应用。研究工作得到了国家自然科学基金、上海市科委项目和东方学者项目的资助。

参考文献

1. 尧涵, 石帆, 黄译平, 等. 基于模式耦合器的锁模掺镱光纤激光器[J]. 光电工程, 2020, 47(11): 200040；Yao H, Shi F, Huang Y P, et al. Mode-locked Yb-doped fiber laser based on mode coupler[J]. Opto-Electronic Engineering, 2020, 47(11): 200040.

2. Yao H, Shi F, Wu Z Y, et al. A mode generator and multiplexer at visible wavelength based on all-fiber mode selective coupler. Nanophotonics, 2020, 9(4): 973-981.

研究团队简介

上海大学特种光纤重点光纤实验室曾祥龙教授，现任上海市高校特聘教授（东方学者），曾获得欧盟“玛丽居里”国际来访学者、上海市“曙光”学者人才计划、上海大学优秀青年教师和日本学术振兴学会（JSPS）外国人特别研究员。其课题组主要从事非线性超快光学、特种光纤器件及其传感技术的研究。近年来，在Nanoscale, OpticsLetters, Photonics Research, Nanophotonics, Applied Physics Letters, Optics Express 等国际学术期刊上发表期刊论文60余篇。