近日，河北工業(yè)大學(xué)先進(jìn)激光技術(shù)研究中心團(tuán)隊(duì)與澳大利亞麥考瑞大學(xué)、日本千葉大學(xué)和哈爾濱理工大學(xué)合作，成功在金剛石拉曼激光振蕩器中實(shí)現(xiàn)了大波長拓展的拉曼渦旋光直接輸出。相關(guān)研究成果以“Diamond Raman Vortex Lasers”為題發(fā)表于《ACS Photonics》，并入選封面文章。近日，該成果得到國際最大激光門戶網(wǎng)站Laser Focus World的頭條報(bào)道，同時(shí)登上最近一期的Photonics Hot List。

       金剛石憑借其寬光譜透過范圍和優(yōu)異的熱物理特性，展現(xiàn)出在渦旋光波長拓展方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)與巨大潛力。我中心團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將簡單高效的腔內(nèi)渦旋光產(chǎn)生方式——離軸泵浦，與傳統(tǒng)的外腔雙鏡駐波型金剛石拉曼振蕩器相結(jié)合，采用1 μm激光作為泵浦光源，通過精確調(diào)控諧振腔輸出鏡的離軸角度，在一階和二階金剛石拉曼振蕩器中，分別獲得了1.2 μm和1.5 μm的拉曼激光輸出，并成功實(shí)現(xiàn)高斯基模、厄米-高斯（HG）模式以及拉蓋爾-高斯（LG）模式的高質(zhì)量光束調(diào)控。

       一階拉曼渦旋光束

       在一階金剛石拉曼轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)采用在一階拉曼波長處透過率低于0.5%的輸出鏡，并構(gòu)建了準(zhǔn)共心型諧振腔結(jié)構(gòu)。通過精確調(diào)控輸出鏡在不同方向的旋轉(zhuǎn)角度，他們成功獲得了如圖 1(a) 所示的多種模式的1.2 μm激光輸出。其中，當(dāng)諧振腔處于準(zhǔn)直狀態(tài)時(shí)，激光輸出呈現(xiàn)高斯基模；當(dāng)輸出鏡分別在水平和垂直平面方向上離軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生HG1,0和HG0,1模式輸出；當(dāng)輸出鏡沿45°斜對(duì)角方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，則獲得具有中空強(qiáng)度分布的LG模式輸出。進(jìn)一步地，通過對(duì)LG模式光束進(jìn)行干涉測(cè)量（如圖 2(b) 所示），證實(shí)其具有螺旋相位分布，表明其為渦旋光束。對(duì)應(yīng)的光譜特性如圖 2(c) 所示。在最大泵浦功率下，實(shí)驗(yàn)分別實(shí)現(xiàn)了65.5 W的高斯基模激光輸出和42.2 W的LG模式輸出，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率分別為23.8%和15.3%。

       二階拉曼渦旋光束

       為了進(jìn)一步拓展拉曼渦旋光的工作波長范圍，研究團(tuán)隊(duì)在二階金剛石拉曼振蕩器中采用相同的離軸調(diào)控方法，成功獲得了不同模式的1.5 μm激光輸出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。在最大泵浦功率下，分別實(shí)現(xiàn)了119.4 W的高斯基模輸出和22.2 W的LG模式二階Stokes輸出，進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法在高階拉曼轉(zhuǎn)換中的有效性和可擴(kuò)展性。

       總結(jié)與展望

       作為一種性能優(yōu)異的新型光學(xué)晶體，金剛石因其寬光譜透過范圍和卓越的熱學(xué)特性，在近年受到廣泛關(guān)注并取得快速發(fā)展。我中心團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將簡單的離軸泵浦方式與傳統(tǒng)的外腔金剛石拉曼振蕩器相結(jié)合，首次在一階及級(jí)聯(lián)金剛石拉曼振蕩器中實(shí)現(xiàn)了1.2 μm和1.5 μm金剛石渦旋光的直接輸出。這一研究不僅展現(xiàn)了金剛石在渦旋光波長拓展方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，也進(jìn)一步拓寬了金剛石激光技術(shù)的應(yīng)用邊界，為高功率、多波長渦旋光的高效產(chǎn)生提供了全新思路和技術(shù)支撐。

       論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsphotonics.4c01852