CN114172009B - 基于等离激元超构表面的涡旋光光纤激光器和干涉系统 - Google Patents

基于等离激元超构表面的涡旋光光纤激光器和干涉系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于等离激元超构表面的涡旋光光纤激光器和干涉系统，该激光器包括：泵浦源，输出高斯光束；掺镱保偏光纤，作为该激光器的增益介质并连接该激光器的泵浦源和准直器，掺镱保偏光纤用于传输高斯光束；准直器，用于保证平行出射的高斯光束的偏振方向为第一方向；透镜，用于将偏振方向为第一方向的高斯光束聚焦到超构表面上；超构表面，接收偏振方向为第一方向的高斯光束后反射出含有轨道角动量的涡旋光束和偏振方向未发生改变的类高斯光束；偏振分束器，用于接收超构表面反射出的光束并将涡旋光束耦合输出至激光腔外。本发明首次结合超构表面实现了在光纤激光腔内直接产生涡旋光，产生激光光束质量高、功率高和纯度高，且光束的拓扑荷数可控。

Description

基于等离激元超构表面的涡旋光光纤激光器和干涉系统
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种基于等离激元超构表面的涡旋光纤激光器和干涉系统。
背景技术
涡旋光束是一种携带轨道角动量(Orbital angular momentum,OAM)且具有螺旋形波前的结构光束。该光束具有一个以exp(-ilφ)为特征相位函数的复数场，其中l称为拓扑电荷数，描述了光束沿其横截面相位变化的周期，φ表示围绕光轴的方位角。涡旋光束产生方法可分为被动和主动两种方式，被动涡旋光束生成方法主要是利用螺旋相位板、叉形光栅、空间光调制器等将高斯光束转换为涡旋光束，主动涡旋光束生成方法主要是通过自由空间或光纤涡旋激光器来产生。一般来说，在激光器腔外(被动方式)产生的涡旋光束通常具有效率低、光束纯度差的特点，涡旋光束的传输也不稳定，常伴有奇点分裂、塌陷等现象。为了获得更高质量的涡旋光束，研究人员尝试借助光学器件直接从激光腔内(主动方式)获得高功率、高纯度的涡旋光束，它们完美的螺旋形相位可以保证光束传输的稳定性。
2013年，Kim等人通过在Nd：YAG激光器中使用毛细管光纤将泵浦改成环形光束，使用简单的望远镜系统将该环形光束中继成像到Nd:YAG晶体中，将通过简单调整泵浦光束尺寸，可以选择性地激发不同拉盖尔-高斯LG0n模式的涡旋光束。由于非平面椭圆模式在传播时具有螺旋特性的光场，2013年，Sandile等人提出了一种基于空间光调制器的第一台数字激光器，可以生成任意阶数的OAM光束以及其他任意所需的结构光束，为在源头定制激光模式开辟了新的可能性。2017年，Wang等人将基于单模光纤和少模光纤熔融制成模式选择耦合器放入在全光纤锁模激光器的腔中，可以直接从激光腔内产生飞秒级的超短脉冲OAM光束，但其耦合区域长度需要精确控制。
2011年，Yu等人首先提出光学超构表面的概念。与传统的光场调控器件不同，超构表面是由亚波长结构单元按照特定的排列方式组合构成的二维人工材料，能够对光场的偏振、振幅、相位、角动量等自由度进行灵活有效的调控。Yu等人利用费马原理推导出了基于超构表面的广义折射定律，通过改变超构表面V型天线的几何尺寸与夹角在亚波长尺度上实现了对电磁波的相位调控，可实现任意角度的波束偏折以及涡旋光束的生成，但是这种超构表面的效率较低。根据超构表面的相位调控机理，超构表面主要分为共振相位超构表面(通过改变天线的形状和尺寸)、几何相位超构表面(通过改变同一天线的旋转角)以及共振相位和几何相位结合的复合超构表面。根据材料的不同，超构表面分为等离激元超构表面和介电超构表面。由于超构表面具有体积小、使用灵活、可集成化的优点，可以将器件的小型集成化提升到一个新的高度。随着超构表面的出现，越来越多的科学家们尝试利用超构表面来产生涡旋光束。2020年，Sroor等人提出了世界上第一台可产生“超手性光”的超构表面激光器，通过利用腔内的超构表面能够产生任意理想的手性光状态，在532nm波长处输出的超高纯度OAM光束的拓扑荷数最高可达到100。但该超构表面激光器采用的是Nd:YAG晶体作为增益介质，属于固体激光器的范畴，因此，成本比较高，工艺比较复杂，使得其大规模的商用受到限制。
由于光纤激光器简单、稳定、高增益和成本低的独特优势，被视为将来传统固态激光器的替代品，此外如何实现激光腔结构的优化来生成高质量、高功率、高纯度的激光光束是实现OAM激光器的关键。如何提供一种基于超构表面的光纤激光器来产生涡旋光束，更是一个尚未解决的难题。
发明内容
鉴于此，本发明实施例提供了一种基于等离激元超构表面的OAM光纤激光器和干涉系统，其能够使用超构表面直接在光纤激光腔内产生高质量、高功率、高纯度的涡旋光束，且结构简单、成本低。
本发明的一个方面提供了一种基于超构表面的涡旋光光纤激光器，该激光器包括：泵浦源、准直器、掺镱保偏光纤、透镜、超构表面和偏振分束器；所述泵浦源用于发出高斯光束；所述掺镱保偏光纤用于作为该激光器的增益介质以及在激光腔内传输所述泵浦源发出的高斯光束；准直器用于将所述掺镱保偏光纤中的高斯光束耦合到激光腔内的自由空间中，经所述准直器出射的高斯光束为第一偏振方向的高斯光束；所述透镜用于将经所述准直器出射的高斯光束聚焦到所述超构表面上；所述超构表面接收到第一偏振方向的所述高斯光束后反射出第一偏振方向的类高斯光束和携带轨道角动量的、第二偏振方向的涡旋光束，所述第一偏振方向和第二偏振方向正交；所述超构表面采用金属-绝缘体-金属结构，所述超构表面的基本结构单元包括：底部金属膜、金属纳米天线和置于所述底部金属膜和金属纳米天线之间的间隔层；所述超构表面中的金属纳米天线被设置为多组，多组金属纳米天线的长和宽以及沿超构表面的预定轴线的夹角被设置为使得相邻组的金属纳米天线得到的交叉偏振光产生预定大小的相移，从而使得超构表面的反射光束的相位能够在0-2πl之间进行调制，l为整数阶拓扑荷数；所述偏振分束器置于所述准直器和所述透镜之间，用于接收由所述超构表面反射出的光束并将其中的涡旋光束耦合输出至激光腔外。
在本发明的一些实施例中，基于超构表面的涡旋光光纤激光器还包括波分复用器和保偏光纤反射镜；所述波分复用器用于将所述泵浦源发出的高斯光束耦合到所述激光腔内的掺镱保偏光纤中；所述超构表面反射出的光束经过所述偏振分束器将涡旋光束输出至激光腔外并将剩余的第一偏振方向的类高斯光束经所述准直器耦合回所述掺镱保偏光纤中，并经所述波分复用器后到达所述保偏光纤反射镜，经由所述保偏光纤反射镜的反射使得光束在所述保偏光纤反射镜和所述超构表面之间往返振荡，形成高斯光束的自洽传输。
在本发明的一些实施例中，超构表面的的基本结构单元的在x方向和y方向的周期为550nm，所述金属纳米天线厚度为80nm，所述绝缘间隔层厚度为110nm，所述金属膜厚度为130nm，所述金属纳米天线的长度方向与所述x方向呈45°或135°夹角。
在本发明的一些实施例中，金属纳米天线为金纳米天线，所述绝缘间隔层为二氧化硅间隔层，所述金属膜为金膜。
在本发明的一些实施例中，超构表面中的金属纳米天线被设置为8组，该8组金属纳米天线具有4种长和宽的组合设置，第5-8组的金属纳米天线的天线取向与第1-4组的金属纳米天线的天线取向在与间隔层表面所平行的平面内相垂直，每组金属纳米天线对应的交叉偏振光的相移依次相差π/4。
在本发明的一些实施例中，使用非保偏光纤替代所述掺镱保偏光纤；使用非保偏光纤反射镜替代保偏光纤反射镜；所述激光器还包括偏振控制器，所述偏振控制器使用非保偏光纤与准直器和波分复用器相连。
在本发明的一些实施例中，所述超构表面的金属纳米天线被设置为u组，u为8以上的整数，金属纳米天线的长和宽以及沿超构表面的预定轴线的夹角被设为使得相邻的每组金属纳米天线间的相移相差i，i大于0且小于等于π/2且u*i的值为2π的整数倍，超构表面产生的涡旋光束的拓扑荷数为±u*i/2π；每组金属纳米天线间的排列方式被设为使得每组金属纳米天线间的相移依次增加或减少且每组金属纳米天线的面积相同，每组金属纳米天线的几何形状的顶点都位于超构表面中心区域；所述超构表面中每组金属纳米天线的排列方式为使得相邻的每组金属纳米天线的相移沿逆时针方向依次增加时超构表面反射出的涡旋光束拓扑荷数为正，所述超构表面中每组金属纳米天线的排列方式为使得相邻的每组金属纳米天线沿顺时针方向相移依次增加时超构表面反射出的涡旋光束拓扑荷数为负。
在本发明的一些实施例中，第1组和第5组金属纳米天线的宽和长为210nm，350nm；第2组和第6组金属纳米天线的宽和长为180nm，241nm；第3组和第7组金属纳米天线的宽和长为146nm，210nm；第4组和第8组金属纳米天线的宽和长为80nm，190nm。
在本发明的一些实施例中，每组金属纳米天线为三角形阵列，第1组至第4组金属纳米天线的三角形阵列排列形成第一矩形阵列，第5组至第8组金属纳米天线的三角形阵列排列形成第二矩形阵列，所述第一矩形阵列和所述第二矩形阵列并排形成方形阵列。
在本发明的一些实施例中，第一偏振方向为x方向，所述第二偏振方向为y方向。
在本发明的一些实施例中，所述超构表面中各组金属纳米天线间的排列方式为使得相移沿逆时针方向依次增加π/4时，所述超构表面反射出的涡旋光束拓扑荷数l为1；所述超构表面中各组金属纳米天线间的排列方式为使得相移沿顺时针方向依次增加π/4时，所述超构表面反射出的涡旋光束拓扑荷数l为-1。
本发明的另一方面提供了一种基于几何相位超构表面的涡旋光光纤激光器，其特征在于，该激光器包括：泵浦源、准直器、掺镱保偏光纤、透镜、超构表面、1/4波片、法拉第旋光器、波分复用器、保偏光纤反射镜和偏振分束器；所述泵浦源用于发出高斯光束；所述掺镱保偏光纤用于作为该激光器的增益介质以及在激光腔内传输所述泵浦源发出的高斯光束；准直器用于将所述掺镱保偏光纤中的高斯光束耦合到激光腔内的自由空间中，经所述准直器出射的高斯光束为第一偏振方向的高斯光束；所述法拉第旋光器用于将第一偏振方向的高斯光束顺时针旋转45°转化为第三偏振方向的高斯光束，所述法拉第旋光器用于将任意偏振方向的线偏振高斯光束的偏振方向沿顺时针旋转45°；所述1/4波片用于将第三偏振方向的高斯光束转化为第一旋向圆偏振光，所述1/4波片用于实现圆偏振光束和线偏振光束的转换；所述透镜用于将经所述1/4波片转化的第一旋向圆偏振光聚焦到所述超构表面上；所述几何相位超构表面接收到第一旋向圆偏振光后反射出第二旋向圆偏振光和携带轨道角动量的、第一旋向圆偏振光，所述第一旋向和第二旋向的旋转方向相反；所述超构表面采用金属-绝缘体-金属结构，所述超构表面的基本结构单元包括：底部金属膜、金属纳米天线和置于所述底部金属膜和金属纳米天线之间的间隔层；所述超构表面中的金属纳米天线被设置为多组，多组相同尺寸的金属纳米天线沿超构表面的预定轴线的夹角被设置为使得相邻组的金属纳米天线得到的交叉偏振光产生预定大小的相移，从而使得超构表面的反射光束的相位能够在0-2π之间进行调制；所述偏振分束器置于所述准直器和所述法拉第旋光器之间，用于接收由所述超构表面反射出的光束并将其中的涡旋光束耦合输出至激光腔外；所述波分复用器用于将所述泵浦源发出的高斯光束耦合到所述激光腔内的掺镱保偏光纤中；所述超构表面反射出的光束经过所述偏振分束器将涡旋光束输出至激光腔外并将剩余的第一偏振方向的类高斯光束经所述准直器耦合回所述掺镱保偏光纤中，并经所述波分复用器后到达所述保偏光纤反射镜，经由所述保偏光纤反射镜的反射使得光束在所述保偏光纤反射镜和所述超构表面之间往返振荡，形成高斯光束的自洽传输。
在本发明的一些实施例中，使用非保偏光纤替代所述掺镱保偏光纤；使用非保偏光纤反射镜替代保偏光纤反射镜；所述激光器还包括偏振控制器，所述偏振控制器使用非保偏光纤与准直器和波分复用器相连。
在本发明的一些实施例中，所述几何相位超构表面中的金属天线被设置为8组，该8组金属纳米天线的尺寸相同但具有8种金属纳米天线沿超构表面的预定轴线的夹角，每组金属纳米天线对应的偏振光的相移依次相差π/4，每组金属纳米天线间的排列方式为使得相邻金属纳米天线间的相移依次增加或减少且每组金属纳米天线的面积相同，每组金属纳米天线的几何形状的顶点都位于超构表面中心区域；所述几何相位超构表面中每组金属纳米天线的排列方式为使得相邻的每组金属纳米天线的相移沿逆时针方向依次增加时超构表面反射出的涡旋光束拓扑荷数为1，所述超构表面中每组金属纳米天线的排列方式为使得相邻的每组金属纳米天线沿顺时针方向相移依次增加时超构表面反射出的涡旋光束拓扑荷数为-1。
本发明的再一方面提供了一种涡旋光束与高斯光束的干涉实验系统，该系统包括：第一分束器，位于准直器与偏振分束器之间，用于将预定百分比的高斯光束耦合至激光腔外；第二分束器，用于将涡旋光束与第一分束器耦合出的高斯光束进行合并，并输出给干涉条纹获取装置；反射镜，用于反射涡旋光束至第二分束器进行合并；用于调整偏振的光学器件，位于反射镜与第二分束器之间，用于将涡旋光束的偏振方向调整为与第一分束器耦合出的高斯光束的偏振方向相同的偏振态以进行干涉。
本发明通过将超构表面放入激光器腔中实现了可直接输出涡旋光束的OAM光纤激光器。与在腔外产生的OAM光束相比本发明采用的是激光腔内的模式滤波机制，因此与在激光腔外部生成涡旋光的被动方式相比，本发明能够实现高质量、高纯度的OAM光束输出。
本发明实施例中，激光器增益可以很高，从而可以补偿等离激元超构表面的损耗。同时，超构表面的工作效率与激光器增益可根据需要进行灵活匹配设计，这大大拓宽了超构表面的设计自由度和实用价值。
本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在说明书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。
本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。
图1为本发明一实施例中涡旋光光纤激光器原理图。
图2为本发明一实施例中超构表面的基本结构单元示意图。
图3为本发明一实施例中用于生成拓扑荷数为1超构表面阵列排布和生成拓扑荷数为-1的涡旋光束的超构表面的阵列排布示意图。
图4为本发明一实施例中用于生成拓扑荷数为-1的涡旋光束的超构表面的扫描电镜图(SEM)局部截图。
图5为本发明一实施例中光纤激光器的输出光谱以及激光器输出功率与泵浦功率的关系图。
图6为本发明一实施例中验证涡旋光束的螺旋形波前的自制迈克尔逊干涉仪的原理图。
图7为本发明一实施例中涡旋光的强度分布图以及涡旋光的干涉图样。
图8为本发明一实施例中生成涡旋光束拓扑荷数为2的超构表面阵列排布示意图。
图9为本发明一实施例中几何相位超构表面阵列排布示意图。
图10为本发明一实施例中几何相位超构表面的OAM涡旋光束光纤激光器原理图。
图11为本发明一实施例中采用非保偏光纤的OAM涡旋光束光纤激光器原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。
本发明采用掺镱的保偏光纤作为增益介质，结合超构表面，提出了一种结构巧妙的基于等离激元超构表面的光纤激光器，能够在光纤激光器腔内直接生成涡旋光束并输出，特别适用于亚波长尺度下的光场调控等场合，产生的涡旋激光光束质量高、纯度高，在光通信、量子信息处理和高分辨显微成像等领域可得到广泛的应用。为了实现基于等离激元超构表面的光纤激光器，本发明设计了新型的等离激元超构表面，其可以根据纳米结构的尺寸参数和排列，将反射光的相位从0到2π进行调制，实现对光波波前的完全控制。光纤激光器基于这种超构表面的辅助，可以直接在激光腔内产生l＝±1的OAM光束。
在本发明实施例中，采用具有直线腔结构的掺镱保偏光纤激光器，保证了高斯光束可获得足够的增益，而腔内的超构表面能够将高斯光束转化为携带OAM的涡旋光束，同时生成的OAM光束与输入的高斯光束的偏振态是相互正交的，因此OAM光束可以通过偏振敏感分束器耦合到腔外，而偏振态未发生变化的残余类高斯光束被反馈回腔内，经过演化形成高斯光束的自洽传输。
本发明的一实施例中，等离激元超构表面采用金属-绝缘体-金属的结构，图2示出了超构表面的一个基本结构单元的示意图，其中，(a)为基本结构单元的立体示意图，(b)为基本结构单元的俯视图。超构表面由长度方向与x轴呈45°夹角或长度方向与x轴呈135°夹角的金纳米天线、中间的二氧化硅间隔层和底部的一层金膜组成，但本发明并不限于此，可以使用其他金属作为纳米天线和金属膜，例如银或铜等。在一示例中，金纳米天线、二氧化硅间隔层和底部金膜的厚度分别为80nm、110nm和130nm。间隔层上的金属纳米天线在图2中(a)所示的x方向和y方向上周期性排列，单位周期p为550nm，换言之，基本结构单元在x和y方向上的单位周期也为p＝550nm。在本发明一些实施例中，超构表面可以被划分为多个区域，不同区域上的金纳米天线可以具有不同的尺寸和/或取向，也即通过将该金纳米天线按照一定规则在各个区域内进行周期性排列可得到超构表面，可使得各区域内金纳米天线得到的交叉偏振光的相移依次相差π/4。每个区域内的纳米天线可以作为一个组。在发明实施例中，金纳米线可以为棒状，也可以为片状，本发明并不限于此。
金纳米天线的长和宽(图2的(b)中所示m为长，n为宽)是可变的，在本发明实施例中，基于有限元方法在入射到超构表面的高斯光束的波长为1030nm的情况下进行了模拟：
通过改变纳米天线的长和宽，可以得到每个长和宽组合下交叉偏振光的反射率和相移，在此，交叉偏振光指由超构表面反射出的与入射偏振方向相互正交的涡旋光。在保证交叉偏振光具有40％的反射率的前提下，本发明选择了具有如下的4种长宽尺寸组合(m,n)的4组金纳米天线：(350nm,210nm)、(241nm,180nm)、(210nm,146nm)和(190nm,80nm)，分别对应于图3中的第1～4组天线，每组纳米天线得到的交叉偏振光的相移依次相差π/4。若将基本结构单元的纳米天线沿图中所示z轴旋转90°(旋转后的纳米天线与旋转前的纳米天线取向均在xy平面内相垂直)，那么通过这两个纳米天线的交叉偏振光的相位延迟相差π。因此，本发明将1～4组这四组的金属纳米天线结构同时旋转90°，得到依次对应的第5～8组纳米天线结构，这样得到的1～8组这八组天线即可实现2π的全相位覆盖。图3所示为本发明一实施例中用于生成拓扑荷数为1的涡旋光束的超构表面的阵列排布和生成拓扑荷数为-1的涡旋光束的超构表面的阵列排布示意图。如图3所示，每组金属纳米天线为三角形阵列，第1组至第4组金属纳米天线的三角形阵列排列形成第一矩形阵列，第5组至第8组金属纳米天线的三角形阵列排列形成第二矩形阵列，第一矩形阵列和第二矩形阵列并排形成方形阵列。超构表面中1～8组金属纳米天线间的排列方式为图3中的(a)所示的逆时针排列，使得相移沿逆时针方向依次增加π/4时，超构表面反射出的涡旋光束拓扑荷数为1，即实现输出拓扑荷数l＝1的涡旋光束的超构表面的设计。超构表面中1～8组金属纳米天线间的排列方式为图3中的(b)所示的顺时针排列，使得相移沿顺时针方向依次增加π/4时，超构表面反射出的涡旋光束拓扑荷数为-1，即可输出拓扑荷数为l＝-1的涡旋光束。图3中的(b)对应的拓扑荷数为-1的涡旋光束的超构表面的扫描电镜图(SEM)局部截图如图4所示。
综上可知，本发明通过对基本结构单元的设计以及金属纳米天线的排列方式设计获得了可将反射光的相位从0到2π进行调制的超构表面，从而可以实现对光波波前的完全控制，使用这种超构表面的光纤激光器可直接在激光腔内产生l＝±1的涡旋光束。
这种超构表面起到涡旋相位板的作用，能够将高斯光束同时转化为携带OAM且具有偏振方向与入射高斯光束偏振方向正交的涡旋光束与偏振态未发生改变的类高斯光束，并将涡旋光束和类高斯光束一同反射出去。
如图1所示，本发明的一实施例中，涡旋光光纤激光器包括超构表面7、透镜6、偏振分束器5、准直器4、掺镱保偏光纤3、波分复用器2、保偏光纤反射镜8和泵浦源1。
本发明的一实施例中采用976nm泵浦激光源作为泵浦源1，用于发出高斯光束。可利用980/1030nm波分复用器2将泵浦激光耦合入激光腔内，更具体地耦合到激光腔内的掺镱保偏光纤中。采用长度为0.6m的掺镱保偏光纤3作为增益介质在泵浦激光和激光腔的作用下在激光腔内产生并传输1030nm的高斯光束。
准直器4用于将掺镱保偏光纤中的高斯光束耦合到激光腔内的自由空间中。由于该激光器中所有器件均使用保偏光纤相连接，通过调整准直器即可保证出射光束为第一偏振方向(x偏振方向，即偏振沿水平方向)的高斯光束。因此在本实施例中，经准直器4出射的高斯光束为第一偏振方向的高斯光束，即x偏振光。
透镜6用于将经准直器4出射的高斯光束聚焦到超构表面7上。x偏振光经过偏振分束器后，由焦距例如为f＝50mm的透镜将x偏振的高斯光束聚焦到超构表面7上。
超构表面7接收到x偏振方向的高斯光束后反射出x偏振方向的类高斯光束和携带轨道角动量的、y偏振方向的涡旋光束，也即从超构表面反射的光束中同时包含携带OAM的具有与第一偏振方向正交的第二偏振方向(y偏振方向)的涡旋光束与偏振态未发生改变的具有x偏振方向的类高斯光束。
超构表面7如前所述采用金属-绝缘体-金属结构，超构表面的基本结构单元包括：底部金属膜、金属纳米天线和置于底部金属膜和金属纳米天线之间的间隔层。超构表面中的金属纳米天线被设置为多组，多组金属纳米天线的长和宽以及沿超构表面的预定轴线的夹角被设置为使得相邻组的金属纳米天线得到的交叉偏振光产生预定大小的相位延迟，从而使得超构表面的反射光束的相位能够在0-2π之间进行调制。
反射光束再次经过透镜后可平行出射，由于这两束光的偏振态相互正交，生成的涡旋光束可以通过偏振敏感分束器耦合到腔外输出。偏振分束器5置于准直器4和透镜6之间，用于接收由超构表面7反射出的光束并将其中的涡旋光束耦合输出至激光腔外。偏振态未发生变化的残余类高斯光束留在激光腔内，并通过准直器耦合回光纤光路中。波分复用器后到达激光器远端的保偏光纤反射镜8，保偏光纤反射镜8不改变反射光的偏振态，经由保偏光纤反射镜的反射使得光束在保偏光纤反射镜和超构表面之间多次往返来回振荡，可形成高斯光束的自洽传输。
在本发明的一实施例中通过CCD相机可直接在输出端获得涡旋光束的强度分布图像。图7显示了高斯光束与生成的l＝±1的涡旋光束的强度分布和干涉图样，图7左侧两图显示了生成的具有l＝±1的涡旋光束的强度分布，从图中可以看出生成的涡旋光束具有均匀的环形强度分布，中心暗斑对应相位奇点。
图5显示了该激光器处于工作状态时的输出光谱以及输出功率与泵浦功率的关系。从图中可以看出，激光器的中心工作波长位于1030nm附近，当泵浦功率增加到41mW时激光器开始起振，随着泵浦功率的增大，起振后激光器的输出功率与泵浦功率呈线性变化趋势，其斜率效率为13.95％。这表明该激光器具有优异的工作性能，且光纤激光器结构更简单，成本更低。
为了验证激光器生成的涡旋光束的螺旋形波前，本发明的一实施例中还提供一种涡旋光束与高斯光束的干涉系统，该干涉系统可通过与高斯光束的干涉获得OAM光束的拓扑荷数。如图6所示，该干涉系统与迈克尔逊干涉仪理念相同但用于验证本发明的涡旋光光纤激光器产生的涡旋光束。具体方式为：在准直器4和偏振分束器5之间设置10:90(R:T)的立方分束器(第一分束器)9，该立方分束器用于将10％的高斯光束耦合至激光腔外。设置分束器(第二分束器)11用于将偏振分束器5输出的涡旋光束与立方分束器耦合出的高斯光束进行合并，涡旋光束与高斯光束合并后将进行干涉，并将合并后的光束输出给干涉条纹获取装置，即CCD相机。由于从立方分束器9和从偏振分束器5输出的两束光的偏振态相互正交，所以在涡旋光光路中放置了一个调整偏振的光学器件，如半波片12，半波片12位于反射镜13与分束器11之间，用于将涡旋光束的偏振方向调整为与立方分束器9耦合出的高斯光束的偏振方向相同的偏振态以进行干涉。在偏振分束器5和分束器11之间的光路上可设置反射镜13，用于调整光的照射方向，将涡旋光反射到分束器11，以使得涡旋光与立方分束器9耦合出的高斯光束进行合并。干涉的叉形条纹可通过分束器11后的CCD相机10获得，图7右侧两图显示了高斯光束与生成的l＝±1的涡旋光束的干涉图样，从图中可以清晰地看到叉形的干涉条纹。通过观察叉形开口处的条纹数，可知涡旋光束拓扑荷数的绝对值|l|＝1，并且这两个干涉图样具有相反的开口方向，这印证了生成的涡旋光束分别具有+1和-1的拓扑荷数。
本发明通过将超构表面放入激光器腔中实现了可直接输出涡旋光束的OAM光纤激光器。该激光器由976nm的激光泵浦光源、保偏掺镱光纤、超构表面以及其他常规光学元件共同组成一个直线腔，实现了OAM光束在1μm左右的输出。与在腔外产生的OAM光束相比，由于激光腔内的模式滤波机制，本发明提出的方法与在激光腔外部生成涡旋光的被动方式相比，能够实现高质量、高纯度的OAM光束输出。激光器增益可以很高，以补偿等离激元超构表面的损耗，这使得输出高功率OAM光束成为可能。同时，超构表面的工作效率与激光器增益可根据需要进行灵活匹配设计，这大大拓宽了超构表面的设计自由度和实用价值。本发明不仅可以在光纤激光器腔内实现1030nm波长的涡旋光束的直接输出，操作相对简单，产生激光光束质量高、功率高、纯度高，且光束的拓扑荷数可控。
在本发明中，变换如图3所示的超构表面，使满足围绕超构表面一周的相移满足2π的整数倍，即2πl，l为整数阶拓扑荷数，可产生高阶拓扑荷数的涡旋光束。
在本发明的一实施例中，从上述的8组纳米天线尺寸中选择4组，这四组纳米天线满足对应的相位延迟依次相差π/2。基于图3所划分的8个区域，将其按照的相位延迟依次递增或递减的方式排列，其中第区域5～区域8的纳米天线为区域1～区域4的重复排列。这样，围绕超构表面一周获得了4π的相移，即可生成l＝±2的涡旋光束，图8显示了l＝2的超构表面阵列排布方式。
在本发明的一实施例中，在超构表面的面积不变的情况下，设计生成更高阶拓扑荷数的超构表面时，按类似将圆分割为面积相同的扇形的方式将超构表面划分为u组金属纳米天线，也即每组金属纳米天线的几何形状的顶点位于超构表面的中心区域且每组金属纳米天线的面积相同，设置金属纳米天线组数为u组，u为8以上的整数，金属纳米天线的长和宽以及沿超构表面的预定轴线的夹角被设为使得相邻的每组金属纳米天线间的相移相差i，i大于0且小于等于π/2且u*i的值为2π的整数倍，超构表面的产生的拓扑荷数为±u*i/2π，每组金属纳米天线的相移相差越小，涡旋光束质量越好。拓扑荷数的正负取决于金属纳米天线组的彼此间的排列方式为逆时针还是顺时针，超构表面中每组金属纳米天线的排列方式为使得相邻的每组金属纳米天线的相移沿逆时针方向依次增加时超构表面反射出的涡旋光束拓扑荷数为正，所述超构表面中每组金属纳米天线的排列方式为使得相邻的每组金属纳米天线沿顺时针方向相移依次增加时超构表面反射出的涡旋光束拓扑荷数为负。
在本发明的一实施例中，超构表面采用基于几何相位的调控原理进行设计，几何相位超构表面由具有相同尺寸但具有不同取向角的金属纳米天线的基本结构单元组成，当入射到超构表面的光束为圆偏振光时使用几何相位超构表面获得OAM涡旋光束。通过简单地改变金属纳米天线的旋转角度产生所需的超构表面相移 为该超构表面单元对应的相移，θ为金属纳米天线关于x轴的取向角，从而实现对相位梯度的人工控制。如图9(a)所示为生成l＝1的涡旋光束的几何相位超构表面阵列排布示意图，如图9(b)所示为生成l＝-1的涡旋光束的几何相位超构表面阵列排布示意图。图9所示几何相位超构表面所有金属纳米天线的尺寸大小相同，但具有不同的取向角，取向角即每组金属纳米天线沿超构表面的预定轴线x轴的夹角，不同取向角对应不同的偏振光的相位延迟。每组金属纳米天线的面积相同且每组金属纳米天线的几何形状的顶点都位于超构表面的中心区域。每组金属纳米天线对应的偏振光相移依次相差π/4。沿超构表面逆时针旋转一周，若相位延迟按照π/4的顺序依次递增，可生成l＝1的涡旋光束；若相位延迟按照π/4的顺序依次递减，则可生成l＝-1的涡旋光束，本实施例仅涉及产生拓扑荷数绝对值为1的几何相位超构表面。
如图10所示为本发明一实施例中基于几何相位超构表面的OAM涡旋光束光纤激光器原理图，相较于图1的激光器，本实施例的激光器与其区别在于在激光器的自由空间中产生了圆偏振光，并基于几何相位超构表面将圆偏振光转化为OAM涡旋光束，除增加了法拉第旋光器15、1/4波片14和使用的超构表面7为几何相位超构表面外其余部件与图1保持一致。对于激光器腔内的结构设计，在透镜6和偏振分束器5之间加入了一个1/4波片14和一个法拉第旋光器15。从准直器输出的x偏振光经过法拉第旋光器15之后，偏振方向沿顺时针旋转了45°，转动1/4波片14的快轴与水平方向平行，使得通过四分之一波片后的光转换为右旋圆偏光，从而入射到超构表面上。基于几何相位的调控原理，反射的交叉偏振光携带几何相位，同时对于圆偏振光而言，镜面反射将使其偏振手性发生变化。因此从超构表面7反射的光束同时包含了携带OAM的右旋圆偏振光和偏振态发生改变的左旋圆偏振高斯光束。再次经过1/4波片14后，OAM光束由右旋圆偏振光变成与x轴呈-45°的线偏振光，由于法拉第旋光器15会使该偏振方向沿顺时针再旋转了45°，即OAM光束最终变成沿y方向的线偏振光，并经偏振分束器耦合至腔外。同理，反射的高斯光束经过1/4波片14和法拉第旋光器15后会变成沿x方向的线偏振光，经偏振分束器继续留在激光腔内并通过准直器耦合回光纤光路中，形成高斯光束的自洽传输。
本发明的一实施例中，除了采用掺镱保偏光纤外，本发明还可以使用普通的非保偏光纤17替代所述掺镱保偏光纤3。如图11所示，包括掺镱保偏光纤及其他光纤器件都可以换成非保偏的器件例如保偏光纤反射镜可更换为普通的光纤反射镜，自由空间光路中的器件维持不变。此时，需要在光纤光路中加入一个偏振控制器16，通过调节偏振控制器，可以控制从准直器出射的高斯光束的沿x(水平)偏振方向，在自由空间中光束的偏振状态与基于图1所述原理相同，最终可形成高斯光束在腔内的自洽传输及涡旋光束的腔内生成。
相较于使用被动方式生成的涡旋光的设备，本发明的涡旋光光纤激光器获取涡旋光的效率更高，生成的涡旋光束质量更好；本发明提出的超构表面辅助的OAM单模光纤激光器拓宽了直接在光源处实现角动量控制的策略，并可以扩展到其他产生更复杂的结构光束的应用中，在光通信、生物光子学、量子光学和其他领域均可以获得广泛的应用。相较于使用超构表面的固体激光器，本发明的涡旋光光纤激光器具有更加简单且巧妙的结构，且本发明的激光器成本相较于固体激光器更低，更适合大范围推广使用。
需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种基于超构表面的涡旋光光纤激光器，其特征在于，该激光器包括：泵浦源、准直器、掺镱保偏光纤、透镜、超构表面和偏振分束器；
所述泵浦源用于发出高斯光束；
所述掺镱保偏光纤用于作为该激光器的增益介质以及在激光腔内传输所述泵浦源发出的高斯光束；
准直器用于将所述掺镱保偏光纤中的高斯光束耦合到激光腔内的自由空间中，经所述准直器出射的高斯光束为第一偏振方向的高斯光束；
所述透镜用于将经所述准直器出射的高斯光束聚焦到所述超构表面上；
所述超构表面接收到第一偏振方向的所述高斯光束后反射出第一偏振方向的类高斯光束和携带轨道角动量的、第二偏振方向的涡旋光束，所述第一偏振方向和第二偏振方向正交；所述超构表面采用金属-绝缘体-金属结构，所述超构表面的基本结构单元包括：底部金属膜、金属纳米天线和置于所述底部金属膜和金属纳米天线之间的间隔层；所述超构表面中的金属纳米天线被设置为多组，多组金属纳米天线的长和宽以及沿超构表面的预定轴线的夹角被设置为使得相邻组的金属纳米天线得到的交叉偏振光产生预定大小的相移，从而使得超构表面的反射光束的相位能够在0-2πl之间进行调制，l为整数阶拓扑荷数；
所述偏振分束器置于所述准直器和所述透镜之间，用于接收由所述超构表面反射出的光束并将其中的涡旋光束耦合输出至激光腔外。
2.根据权利要求1所述的基于超构表面的涡旋光光纤激光器，其特征在于，还包括波分复用器和保偏光纤反射镜；
所述波分复用器用于将所述泵浦源发出的高斯光束耦合到所述激光腔内的掺镱保偏光纤中；
所述超构表面反射出的光束经过所述偏振分束器将涡旋光束输出至激光腔外并将剩余的第一偏振方向的类高斯光束经所述准直器耦合回所述掺镱保偏光纤中，并经所述波分复用器后到达所述保偏光纤反射镜，经由所述保偏光纤反射镜的反射使得光束在所述保偏光纤反射镜和所述超构表面之间往返振荡，形成高斯光束的自洽传输。
3.根据权利要求1所述的基于超构表面的涡旋光光纤激光器，其特征在于，所述超构表面的基本结构单元在x方向和y方向的周期为550nm，所述金属纳米天线厚度为80nm，所述绝缘间隔层厚度为110nm，所述金属膜厚度为130nm，所述金属纳米天线的长度方向与所述x方向呈45°或135°夹角。
4.根据权利要求3所述的基于超构表面的涡旋光光纤激光器，其特征在于，所述金属纳米天线为金纳米天线，所述绝缘间隔层为二氧化硅间隔层，所述金属膜为金膜。
5.根据权利要求3所述的基于超构表面的涡旋光光纤激光器，其特征在于，所述第一偏振方向为x偏振方向，所述第二偏振方向为y偏振方向。
6.根据权利要求1所述的基于超构表面的涡旋光光纤激光器，其特征在于，所述超构表面中的金属纳米天线被设置为8组，该8组金属纳米天线具有4种长和宽的组合设置，第5-8组的金属纳米天线的天线取向与第1-4组的金属纳米天线的天线取向相垂直，每组金属纳米天线对应的交叉偏振光的相移依次相差π/4。
7.根据权利要求2所述的基于超构表面的涡旋光光纤激光器，其特征在于，
使用非保偏光纤替代所述掺镱保偏光纤；
使用非保偏光纤反射镜替代所述保偏光纤反射镜；
所述激光器还包括偏振控制器，所述偏振控制器使用非保偏光纤与准直器和波分复用器相连。
8.根据权利要求1所述的基于超构表面的涡旋光光纤激光器，其特征在于，
所述超构表面的金属纳米天线被设置为u组，u为8以上的整数，金属纳米天线的长和宽以及沿超构表面的预定轴线的夹角被设为使得相邻的每组金属纳米天线间的相移相差i，i大于0且小于等于π/2且u*i的值为2π的整数倍，超构表面产生的涡旋光束的拓扑荷数为±u*i/2π；每组金属纳米天线间的排列方式被设为使得每组金属纳米天线间的相移依次增加或减少且每组金属纳米天线的面积相同，每组金属纳米天线的几何形状的顶点都位于超构表面中心区域；
所述超构表面中每组金属纳米天线的排列方式为使得相邻的每组金属纳米天线的相移沿逆时针方向依次增加时超构表面反射出的涡旋光束拓扑荷数为正，所述超构表面中每组金属纳米天线的排列方式为使得相邻的每组金属纳米天线沿顺时针方向相移依次增加时超构表面反射出的涡旋光束拓扑荷数为负。
9.根据权利要求6所述的基于超构表面的涡旋光光纤激光器，其特征在于，
第1组和第5组金属纳米天线的宽和长为210nm，350nm；
第2组和第6组金属纳米天线的宽和长为180nm，241nm；
第3组和第7组金属纳米天线的宽和长为146nm，210nm；
第4组和第8组金属纳米天线的宽和长为80nm，190nm。
10.根据权利要求6所述的基于超构表面的涡旋光光纤激光器，其特征在于，每组金属纳米天线为三角形阵列，第1组至第4组金属纳米天线的三角形阵列排列形成第一矩形阵列，第5组至第8组金属纳米天线的三角形阵列排列形成第二矩形阵列，所述第一矩形阵列和所述第二矩形阵列并排形成方形阵列。
11.根据权利要求9所述的基于超构表面的涡旋光光纤激光器，其特征在于，所述超构表面中各组金属纳米天线间的排列方式为使得相移沿逆时针方向依次增加π/4时，所述超构表面反射出的涡旋光束拓扑荷数l为1；所述超构表面中各组金属纳米天线间的排列方式为使得相移沿顺时针方向依次增加π/4时，所述超构表面反射出的涡旋光束拓扑荷数l为-1。
12.一种基于几何相位超构表面的涡旋光光纤激光器，其特征在于，该激光器包括：泵浦源、准直器、掺镱保偏光纤、透镜、几何相位超构表面、1/4波片、法拉第旋光器、波分复用器、保偏光纤反射镜和偏振分束器；
所述泵浦源用于发出高斯光束；
所述掺镱保偏光纤用于作为该激光器的增益介质以及在激光腔内传输所述泵浦源发出的高斯光束；
准直器用于将所述掺镱保偏光纤中的高斯光束耦合到激光腔内的自由空间中，经所述准直器出射的高斯光束为第一偏振方向的高斯光束；
所述法拉第旋光器用于将第一偏振方向的高斯光束顺时针旋转45°转化为第三偏振方向的高斯光束，所述法拉第旋光器用于将任意偏振方向的线偏振高斯光束的偏振方向沿顺时针旋转45°；
所述1/4波片用于将第三偏振方向的高斯光束转化为第一旋向圆偏振光，所述1/4波片用于实现圆偏振光束和线偏振光束的转换；
所述透镜用于将经所述1/4波片转化的第一旋向圆偏振光聚焦到所述超构表面上；
所述几何相位超构表面接收到第一旋向圆偏振光后反射出第二旋向圆偏振光和携带轨道角动量的、第一旋向圆偏振光，所述第一旋向和第二旋向的旋转方向相反；所述超构表面采用金属-绝缘体-金属结构，所述超构表面的基本结构单元包括：底部金属膜、金属纳米天线和置于所述底部金属膜和金属纳米天线之间的间隔层；所述超构表面中的金属纳米天线被设置为多组，多组相同尺寸的金属纳米天线沿超构表面的预定轴线的夹角被设置为使得相邻组的金属纳米天线得到的交叉偏振光产生预定大小的相移，从而使得超构表面的反射光束的相位能够在0-2π之间进行调制；
所述偏振分束器置于所述准直器和所述法拉第旋光器之间，用于接收由所述超构表面反射出的光束并将其中的涡旋光束耦合输出至激光腔外；
所述波分复用器用于将所述泵浦源发出的高斯光束耦合到所述激光腔内的掺镱保偏光纤中；
所述超构表面反射出的光束经过所述偏振分束器将涡旋光束输出至激光腔外并将剩余的第一偏振方向的类高斯光束经所述准直器耦合回所述掺镱保偏光纤中，并经所述波分复用器后到达所述保偏光纤反射镜，经由所述保偏光纤反射镜的反射使得光束在所述保偏光纤反射镜和所述超构表面之间往返振荡，形成高斯光束的自洽传输。
13.根据权利要求12所述的基于几何相位超构表面的涡旋光光纤激光器，其特征在于，
使用非保偏光纤替代所述掺镱保偏光纤；
使用非保偏光纤反射镜替代保偏光纤反射镜；
所述激光器还包括偏振控制器，所述偏振控制器使用非保偏光纤与准直器和波分复用器相连。
14.根据权利要求12所述的基于几何相位超构表面的涡旋光光纤激光器，其特征在于，
所述几何相位超构表面中的金属天线被设置为8组，该8组金属纳米天线的尺寸相同但具有8种金属纳米天线沿超构表面的预定轴线的夹角，每组金属纳米天线对应的偏振光的相移依次相差π/4，每组金属纳米天线间的排列方式为使得相邻金属纳米天线间的相移依次增加或减少且每组金属纳米天线的面积相同，每组金属纳米天线的几何形状的顶点都位于超构表面中心区域；
所述几何相位超构表面中每组金属纳米天线的排列方式为使得相邻的每组金属纳米天线的相移沿逆时针方向依次增加时超构表面反射出的涡旋光束拓扑荷数为1，所述超构表面中每组金属纳米天线的排列方式为使得相邻的每组金属纳米天线沿顺时针方向相移依次增加时超构表面反射出的涡旋光束拓扑荷数为-1。
15.一种涡旋光束与高斯光束的干涉系统，其特征在于，该系统包括：
如权利要求1-14中任一项所述的基于超构表面的涡旋光光纤激光器；
第一分束器，位于准直器与偏振分束器之间，用于将预定百分比的高斯光束耦合至激光腔外；
第二分束器，用于将涡旋光束与第一分束器耦合出的高斯光束进行合并，并输出至干涉条纹获取装置；
反射镜，用于反射涡旋光束至第二分束器进行合并；
半波片，位于反射镜与第二分束器之间，用于将涡旋光束的偏振方向调整为与第一分束器耦合出的高斯光束的偏振方向相同的偏振态以进行干涉。
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