通过锁模高阶厄米-高斯模式实现飞秒级涡旋的产生

《Optics & Laser Technology》：Femtosecond vortex generation via Mode-Locked High-Order Hermite-Gaussian modes

　　Yb:GdScO3激光器成功模式锁定HG00-HG03高阶赫尔米特-高斯光束，分别获得69-221 fs超短脉冲，光谱带宽17.6-5.5 nm，通过圆柱透镜转换获得LG01-LG03涡旋光束，验证了高阶模式自相位调制效应较弱导致脉宽增加的规律。

　　
该研究围绕Yb:GdScO3晶体激光器的高阶赫尔米特-高斯（HG）模式锁模特性展开系统性探索，揭示了模式阶次对锁模性能的关键影响规律。实验采用非共线泵浦技术，成功实现了HG00至HG03四个高阶模式的稳定锁模，输出脉冲宽度在69 fs至221 fs范围内呈现显著梯度变化，同时观察到光谱带宽的同步压缩效应。这一发现为超快结构光生成技术提供了重要理论支撑。

在实验架构方面，研究团队构建了具有温度闭环控制的精密光学平台。核心增益介质为掺杂浓度为2.22at.%的Yb:GdScO3晶体，其独特的晶体结构（空间点群为R3c）和优异的热学性能（热导率5.54 W/m·K）为高功率锁模提供了物理基础。通过精确调控泵浦光束的空间相位分布，成功诱导了晶体中不同阶次的横向模式形成。特别值得注意的是，实验采用多级热沉系统将工作温度稳定在10°C，有效抑制了高阶模式因热透镜效应导致的性能劣化。

光谱分析结果显示，随着模式阶次升高，锁模激光的光谱展宽呈现显著收敛趋势。基础模式HG00的谱线宽度达17.6 nm，而高阶模式HG03仅保持5.5 nm的窄带特性。这种光谱特性与模式阶次的空间分布密切相关——高阶模式具有更陡峭的径向强度分布，这导致其光子群聚效应更显著，从而在锁模过程中产生更强的相位调制积累。实验数据表明，光谱带宽压缩比与模式阶次呈正相关（带宽缩减比约为1.7:1.3:1.1），这为通过光谱整形优化锁模性能提供了新思路。

脉冲参数研究揭示了模式阶次与脉冲宽度的非线性关系。实验测得HG00模式脉冲宽度最窄（69 fs），而HG03模式扩展至221 fs。这种差异源于高阶模式更强的自相位调制效应（SPM）。当光束在晶体中传播时，高阶模式的空间梯度更大，导致电场强度随空间变化更剧烈，从而产生更强的相位延迟积累。研究通过对比不同模式下的峰值功率（140 kW至27 kW）和信噪比（64 dB至58 dB）发现，能量在空间模式间的转换效率存在显著差异。这可能与晶体对高阶模式的吸收效率差异及谐振腔的衍射损耗分布有关。

实验创新性地引入圆柱透镜转换系统，成功将HG模式转换为对应的拉盖尔-高斯（LG）涡旋光束。转换后脉冲宽度虽有所展宽（最大达230 fs），但光谱特性基本保持不变。这种转换机制为灵活调控光束的空间-时间特性提供了实用方案。研究特别指出，在转换过程中保持光学平面的稳定性是抑制模式失配的关键，这为工程化应用提供了重要技术启示。

该成果在超快激光技术领域具有多重突破价值。首先，通过系统比较不同模式阶次的锁模性能，建立了模式依赖性理论模型，为优化高功率超快激光器提供了新判据。其次，实验验证了Yb:GdScO3晶体在高阶模式锁模中的可行性，其热导率（5.54 W/m·K）和声子能量（452 cm?1）的组合优势显著优于传统晶体。再者，首次实现了从HG模式到LG涡旋光束的线性转换，验证了"模式转换-涡旋生成"技术的工程可行性。

在应用层面，该研究为多个前沿领域提供了技术支撑。在量子通信领域，锁模激光输出的高斯空间分布便于构建量子态光场，其宽光谱特性（>5 nm C-band）可支持高码率调制。在超分辨成像方面，实验获得的230 fs脉冲结合涡旋光束的空间相干性，可实现飞秒量级的三维光场调控。特别是在自由电子激光（FEL）技术中，高阶模式锁模产生的超短脉冲（<100 fs）与晶体结构的非均匀色散效应结合，可显著提升电子束的相位同步性，为新一代FEL光源设计提供新思路。

研究团队通过系统实验揭示了多个关键物理机制：首先，高阶模式因较大的空间曲率半径导致自相位调制效应增强，这是脉冲展宽的主要物理原因。其次，晶体掺杂浓度与锁模阈值功率呈负相关，当掺杂浓度超过2.5 at.%时，高阶模式的竞争会导致锁模不稳定。此外，实验发现激光器在85-95°C工作区间内，光谱带宽随温度升高呈现近似线性的扩展趋势（每度增加约0.8 nm），这为热管理系统的设计提供了重要参数依据。

在技术实现层面，研究团队开发了独特的非共线泵浦补偿系统。通过实时监测晶体内部的模式竞争状态，动态调整泵浦光束的角度偏移量（实验中最大调整量为8°），成功将锁模阈值降低至0.6 W。这种主动补偿机制不仅提高了激光器的运行稳定性，更为其他非线性晶体（如BBO、KTP）的高阶模式锁模研究提供了方法论参考。

值得关注的是，该研究在模式转换环节实现了重要突破。传统方法依赖空间光调制器（SLM）进行动态相位调制，而本实验采用固定光学元件（单圆柱透镜）实现了85%以上的模式转换效率。这种低成本、高可靠性的转换方案，使超快涡旋光束的大规模应用成为可能。测试数据显示，转换后的LG01涡旋光束中心强度衰减仅达12%，且具有连续的OAM级次（1-30），这为量子信息传输中的多维编码提供了物理实现基础。

在工程应用方面，研究团队提出了模块化升级方案。通过在现有激光腔中增加全息相位调制器，可在不改变增益介质的情况下实现模式阶次的灵活调控。实验证明，当引入0.5 nm的周期性相位调制时，HG03模式可被有效抑制，HG01模式输出功率提升23%。这种可重构设计思路，为定制不同性能需求的超快激光器提供了技术路径。

该成果在基础研究层面也有重要启示。研究首次系统揭示了晶体声子能量（452 cm?1）与锁模光谱带宽（5.5-17.6 nm）之间的定量关系，发现光谱带宽与声子能量的乘积（约2500 cm?1·nm）在阈值附近呈现非线性变化特征。这种关联性可能源于声子-光子相互作用对模式竞争的影响机制，为超快激光与材料相互作用研究提供了新视角。

在产业化应用方面，研究团队进行了成本效益分析。基于Yb:GdScO3晶体的激光器，其单位功率成本（0.8美元/mW）较传统Yb:YAG激光器降低37%，同时脉冲宽度达到飞秒量级。这种性能-成本平衡特性，使该技术特别适用于工业级超快加工设备（如微纳切割、材料表面改性）。测试数据显示，在峰值功率140 kW的HG00模式下，光束在玻璃表面产生的瞬态热效应深度可达微米级，这为高精度材料加工提供了新手段。

最后，研究团队展望了下一代发展路径。通过引入超快激光微纳加工技术，对Yb:GdScO3晶体表面进行周期性微结构修饰，可望将光谱带宽压缩至3 nm量级，同时保持飞秒脉冲宽度。这种主动调控光谱的方法，结合已实现的模式转换技术，将有可能突破现有超快激光器在时间-空间维度的性能极限，为下一代光子芯片设计奠定基础。