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結(jié)構(gòu)光的歷史背景
激光的歷史可以追溯到半個(gè)多世紀(jì)以前,它不僅對(duì)許多研究學(xué)科而且對(duì)我們的日常生活都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。
梅曼的第一個(gè)光腔具有制造激光器所需的三個(gè)核心部分:一種增益介質(zhì),一種激發(fā)它的手段,以及一個(gè)光學(xué)諧振器,諧振模式的空間分布由平面-平面法布里-珀羅(FP)腔內(nèi)的衍射"塑造"。
起初,人們認(rèn)為只有平面波會(huì)在這樣的空腔中共振,幾乎沒(méi)有余地對(duì)輸出光的空間分布進(jìn)行“裁剪”。
在這項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性的工作之后,研究人員開(kāi)始思考如何控制輸出場(chǎng)的結(jié)構(gòu)形態(tài),并成功展示了通過(guò)幅度濾波進(jìn)行空間模式的控制,隨后使用相位濾波也實(shí)現(xiàn)了類似的效果,最近又結(jié)合了更多的自由度,如光的自旋和軌道角動(dòng)量,并逐步朝著直接在光源處進(jìn)行完全模式控制的最終目標(biāo)邁進(jìn)。
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什么是結(jié)構(gòu)光?
結(jié)構(gòu)光來(lái)源于在空間和時(shí)間上“定制”光場(chǎng)的能力,前者是指對(duì)光場(chǎng)的振幅(強(qiáng)度)、相位(波前)和偏振的控制,而后者是指對(duì)光場(chǎng)的時(shí)間和頻譜的控制。
結(jié)構(gòu)光已經(jīng)逐漸發(fā)展成為光學(xué)領(lǐng)域中一種重要的工具,在成像、顯微鏡檢測(cè)、激光材料加工以及光通信等眾多領(lǐng)域中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。
圖一. 各種形式的結(jié)構(gòu)光的示例
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如何在激光器外部和內(nèi)部產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光?
3.1設(shè)計(jì)方法
3.1.1 外部構(gòu)建結(jié)構(gòu)光
絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)光是在光源外部構(gòu)建的標(biāo)量場(chǎng)。有多種方法可以實(shí)現(xiàn)此目的,如圖2所示,根據(jù)允許的步驟數(shù)、要控制的自由度以及可接受的損耗量進(jìn)行選擇。
第一種外部構(gòu)建結(jié)構(gòu)光的方法如圖2a所示,
單步式有損耗復(fù)振幅調(diào)制方法,可以對(duì)近場(chǎng)相位和振幅進(jìn)行控制。使用透鏡組將輸出平面中繼到所需的位置,同時(shí)透鏡組還充當(dāng)空間濾波器以去除不需要的光。此時(shí)輸出遠(yuǎn)場(chǎng)的相位和振幅都已構(gòu)造成所需的輪廓。
第二種外部構(gòu)建結(jié)構(gòu)光的方法如圖2b所示,
單步式無(wú)損耗純相位調(diào)制方法,可對(duì)輸出遠(yuǎn)場(chǎng)振幅或近場(chǎng)相位進(jìn)行整形,此時(shí)輸出遠(yuǎn)場(chǎng)的相位未受控制。
第三種外部構(gòu)建結(jié)構(gòu)光的方法如圖2c所示,
兩步式無(wú)損耗純相位調(diào)制方法,可對(duì)輸出遠(yuǎn)場(chǎng)中的相位和振幅進(jìn)行整形。第一個(gè)元件構(gòu)造所需的振幅,第二個(gè)元件校正相位。
圖二. 激光器外部構(gòu)建結(jié)構(gòu)光的方法
3.1.2 內(nèi)部構(gòu)建結(jié)構(gòu)光
在諧振腔內(nèi)部產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光的方法之間區(qū)別很大,這里我們以簡(jiǎn)單的FP諧振腔為例進(jìn)行介紹。基本的想法就是找到諧振腔的基本共振模式,即在每次往返之后以最低損耗重復(fù)的模式。
第一種內(nèi)部構(gòu)建結(jié)構(gòu)光的方法如圖3a所示,
單步式有損耗振幅調(diào)制方法,通過(guò)在諧振腔內(nèi)部放置一個(gè)振幅掩膜版,可以在空間上控制增益或損耗,以選擇所需的模式。
第二種內(nèi)部構(gòu)建結(jié)構(gòu)光的方法如圖3b所示,
分級(jí)相位鏡調(diào)制方法, 可以設(shè)計(jì)一個(gè)分級(jí)相位反射鏡,通過(guò)相位控制產(chǎn)生一個(gè)諧振腔的共振模式,通常也要結(jié)合一些振幅控制。
第三種內(nèi)部構(gòu)建結(jié)構(gòu)光的方法如圖3c所示,
兩步式無(wú)損耗純相位調(diào)制方法, 類似于第三種外部構(gòu)建結(jié)構(gòu)光的方法,將外部?jī)刹秸畏椒ú迦爰す馇粌?nèi)部,以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)光的構(gòu)建。
圖三. 激光器內(nèi)部構(gòu)建結(jié)構(gòu)光的方法
3.2實(shí)施方案
早期的結(jié)構(gòu)光僅利用透射掩模進(jìn)行振幅控制,而后期則采用計(jì)算機(jī)生成的全息圖(CGH)進(jìn)行相位控制。CGH利用空間變化的深度d(x,y)來(lái)調(diào)整(動(dòng)力學(xué))相位。
隨后空間光調(diào)制器(SLM)的出現(xiàn)使深度得以保持固定,取而代之的是變化每個(gè)像素的局部折射率n(x,y)。
SLM的出現(xiàn)使得結(jié)構(gòu)光得到快速發(fā)展,激發(fā)了無(wú)數(shù)的應(yīng)用,尤其是在光通信、量子光學(xué)、成像、顯微鏡、激光材料加工以及光學(xué)捕獲和光鑷等領(lǐng)域。
目前已經(jīng)能夠僅使用兩個(gè)SLM實(shí)現(xiàn)對(duì)光的偏振、相位和振幅的完全控制,以構(gòu)建奇特的結(jié)構(gòu)光圖案。通過(guò)分別構(gòu)造每個(gè)偏振分量,然后通過(guò)干涉法將其組合,也是使用動(dòng)力學(xué)相位來(lái)構(gòu)建矢量光束的一種方式。
使用幾何相位來(lái)替代動(dòng)力學(xué)相位,也可以構(gòu)建奇特的光矢量狀態(tài)。
最初是使用空間變化的亞波長(zhǎng)光柵超材料來(lái)實(shí)現(xiàn),每個(gè)亞波長(zhǎng)光柵都充當(dāng)一個(gè)偏振器并伴隨著額外的光學(xué)相位變化。
后來(lái),采用液晶、超表面和超材料也實(shí)現(xiàn)了類似的器件,并在構(gòu)造攜帶軌道角動(dòng)量(OAM)的標(biāo)量和矢量結(jié)構(gòu)光中取得了特別的成功。
之后,結(jié)合早期振幅掩膜版所采用的傅里葉技術(shù),數(shù)字微鏡設(shè)備(DMDs)也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光的振幅、相位和偏振態(tài)的完全控制,目前這種僅控制振幅來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)光的技術(shù)已經(jīng)成為近期的研究熱點(diǎn),并被用于構(gòu)建多種形式的結(jié)構(gòu)光。
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各種類型的結(jié)構(gòu)光激光器
4.1OAM 激光器
激光器的OAM模式是一種特殊的標(biāo)量模式。
從激光腔中產(chǎn)生OAM模式通常需要插入特殊的光學(xué)元件。
最早報(bào)道的OAM模式是產(chǎn)生于二氧化碳激光器中。該激光器使用腔內(nèi)柱面透鏡控制相位并結(jié)合螺旋相位板,從而產(chǎn)生具有特定螺旋度的OAM模式。
從那時(shí)起,OAM激光器不斷發(fā)展,并取得了眾多進(jìn)展。目前激光器輸出OAM模式的最高螺旋度為l = 288,這是由刻在鏡面上的環(huán)形振幅掩模產(chǎn)生的,部分結(jié)果如圖4所示。
圖四. 高OAM結(jié)構(gòu)光
產(chǎn)生矢量渦旋光束是產(chǎn)生OAM光束的一個(gè)擴(kuò)展,特別是徑向和方位角偏振光的產(chǎn)生。
如圖5所示,使用具有偏振選擇性反射的腔內(nèi)軸錐,可產(chǎn)生徑向偏振的環(huán)形和弧形結(jié)構(gòu)光。
圖五. 徑向偏振環(huán)形結(jié)構(gòu)光
OAM和波長(zhǎng)的可調(diào)性在通訊和生物采樣領(lǐng)域是一個(gè)熱門話題。
如圖6所示的是混合自由空間和光纖平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的可重構(gòu)渦旋激光器。
該激光器將光纖激光器的概念與帶有SLM的動(dòng)態(tài)腔內(nèi)模式控制相結(jié)合,形成渦旋光束,可在Δλ = 35 nm和Δl = 10范圍內(nèi)調(diào)節(jié)波長(zhǎng)和螺旋度。
圖六. 可調(diào)渦旋激光器
4.2基于其他幾何結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)光激光器
到目前為止,所描述的激光器都假定存在一個(gè)諧振腔,在每次往返后輸出所需的模式。拋棄這個(gè)概念之后能夠構(gòu)建更多奇異的結(jié)構(gòu)光激光器。
基于共聚焦不穩(wěn)定諧振腔的激光器,其輸出模式如圖7所示。
這種激光器除了簡(jiǎn)單的光圈和傳統(tǒng)的拋光球面鏡外沒(méi)有其他內(nèi)部元件,但可以輸出復(fù)雜的分形結(jié)構(gòu)光圖案。
圖七. 來(lái)自非穩(wěn)腔的分形結(jié)構(gòu)光
基于腔內(nèi)二維微球陣列的混合微型激光器是產(chǎn)生分形結(jié)構(gòu)光的另一種方法,如圖8所示。
通過(guò)調(diào)節(jié)腔體長(zhǎng)度和球體幾何形狀,這種混合激光器可以從球體中輸出拉蓋爾-高斯(Laguerre–Gaussian)光束、厄米-高斯(Hermite–Gaussian)光束和因斯-高斯(Ince–Gaussian)光束。
圖八. 來(lái)自混合微型激光器的分形結(jié)構(gòu)光
基于象散諧振腔的萬(wàn)花筒激光器,產(chǎn)生自象散激光腔的多個(gè)厄米-高斯光束穿過(guò)圓柱透鏡并相互疊加,以形成這些奇特的類似分形的結(jié)構(gòu)光——萬(wàn)花筒模式,如圖9所示。
圖九. 萬(wàn)花筒激光模式
基于無(wú)序結(jié)構(gòu)的無(wú)光腔隨機(jī)激光器,目前為止討論的激光器都是利用光學(xué)諧振腔實(shí)現(xiàn)的,通過(guò)利用激光器中的無(wú)序結(jié)構(gòu)(例如粉末、液晶)可以在沒(méi)有諧振腔的情況下實(shí)現(xiàn)激光作用——即隨機(jī)激光器。
最近研究表明,可以通過(guò)控制納米結(jié)構(gòu)的方向和密度來(lái)控制隨機(jī)激光器輸出光場(chǎng)的空間結(jié)構(gòu),如圖10所示。
圖十. 受控隨機(jī)激光模式
4.3基于結(jié)構(gòu)化物質(zhì)的結(jié)構(gòu)光激光器
除了采用特殊的光腔結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)化物質(zhì)在結(jié)構(gòu)光激光的設(shè)計(jì)中也發(fā)揮重要作用。
當(dāng)傳統(tǒng)激光器的概念與拓?fù)涔庾訉W(xué)的思想相結(jié)合,從結(jié)構(gòu)化物質(zhì)腔中產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光,這著實(shí)令人興奮。目前,光子晶體納米微腔和拓?fù)浣^緣體已被用于結(jié)構(gòu)光的產(chǎn)生。
最新進(jìn)展是在半導(dǎo)體微型激光器中使用時(shí)間反轉(zhuǎn)對(duì)稱性來(lái)控制輸出OAM模式的螺旋度。
如圖11所示,微柱結(jié)構(gòu)被手性泵浦所激發(fā),激發(fā)出的OAM模式的螺旋度由泵浦光的旋向控制。
圖十一. 來(lái)自微型激光器的手性控制
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總結(jié)
5.1結(jié)構(gòu)光激光器的優(yōu)勢(shì)
1、激光是天然的過(guò)濾器,可以用來(lái)消除不需要的模式,與外部方法相比,可以同時(shí)提高模式的純度和功率。
2、外部構(gòu)建結(jié)構(gòu)光引入的損耗無(wú)法輕易克服,而結(jié)構(gòu)光激光器可以通過(guò)增加泵浦功率來(lái)補(bǔ)償。3、結(jié)構(gòu)光激光器更加易于實(shí)現(xiàn)片上集成。
4、結(jié)構(gòu)光激光器作為整體化的解決方案,在未來(lái)的市場(chǎng)化應(yīng)用中具有明顯優(yōu)勢(shì)。
5.2結(jié)構(gòu)光激光目前遇到的瓶頸
1、功率受限
受光束整形元件自身功率閾值的限制,大多數(shù)結(jié)構(gòu)化光激光器的功率較低。新材料的使用,包括超表面的應(yīng)用,將來(lái)可能會(huì)克服這一局限性;此外采用結(jié)構(gòu)光放大器也是一個(gè)值得考慮的方案。
2、設(shè)計(jì)方法受限
另一個(gè)緊迫的局限性是設(shè)計(jì)方法本身。當(dāng)前,大多數(shù)設(shè)計(jì)技術(shù)中的重點(diǎn)是確定最低階諧振模式,但未考慮可能的高階模式。未來(lái)需要努力發(fā)展出通用的設(shè)計(jì)方法。
總之,盡管目前在結(jié)構(gòu)光激光器領(lǐng)域已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步,但是在設(shè)計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)方式以及實(shí)際器件方面仍然存在著廣闊的機(jī)遇。
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