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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，它不僅對許多研究學(xué)科而且對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)為只有平面波會在這樣的空腔中共振，幾乎沒有余地對輸出光的空間分布進(jìn)行“裁剪”。

在這項(xiàng)開創(chuàng)性的工作之后，研究人員開始思考如何控制輸出場的結(jié)構(gòu)形態(tài)，并成功展示了通過幅度濾波進(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)光來源于在空間和時(shí)間上“定制”光場的能力，前者是指對光場的振幅（強(qiáng)度）、相位（波前）和偏振的控制，而后者是指對光場的時(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、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。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，可以對近場相位和振幅進(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，

單步式無損耗純相位調(diào)制方法，可對輸出遠(yuǎn)場振幅或近場相位進(jìn)行整形，此時(shí)輸出遠(yuǎn)場的相位未受控制。

第三種外部構(gòu)建結(jié)構(gòu)光的方法如圖2c所示，

兩步式無損耗純相位調(diào)制方法，可對輸出遠(yuǎn)場中的相位和振幅進(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，

分級相位鏡調(diào)制方法, 可以設(shè)計(jì)一個(gè)分級相位反射鏡，通過相位控制產(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，將外部兩步整形方法插入激光腔內(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。通過分別構(gòu)造每個(gè)偏振分量，然后通過干涉法將其組合，也是使用動(dòng)力學(xué)相位來構(gòu)建矢量光束的一種方式。

使用幾何相位來替代動(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光柵超材料來實(shí)現(xiàn)，每個(gè)亞波長光柵都充當(dāng)一個(gè)偏振器并伴隨著額外的光學(xué)相位變化。

后來，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。

這種激光器除了簡單的光圈和傳統(tǒng)的拋光球面鏡外沒有其他內(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。

通過調(diào)節(jié)腔體長度和球體幾何形狀，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——萬花筒模式，如圖9所示。

圖九. 萬花筒激光模式

基于無序結(jié)構(gòu)的無光腔隨機(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，通過利用激光器中的無序結(jié)構(gòu)（例如粉末、液晶）可以在沒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，可以通過控制納米結(jié)構(gòu)的方向和密度來控制隨機(jī)激光器輸出光場的空間結(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)對稱性來控制輸出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

1、激光是天然的過濾器，可以用來消除不需要的模式，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)光引入的損耗無法輕易克服，而結(jié)構(gòu)光激光器可以通過增加泵浦功率來補(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，在未來的市場化應(yīng)用中具有明顯優(yōu)勢。

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，將來可能會克服這一局限性；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。