Advanced Photonics｜腔内非线性频率转换直接生成多种复杂模式的结构光

锁模后腔内非线性频率转换产生新的横模模式。

激光横摸模式的多样化可以用于多种新型激光应用场景。近年来，对非线性频率转换过程中光束横摸模式变化的影响引起了越来越多研究人员的兴趣。非线性转换是一种很好的产生结构光的途径，该方法属于非线性光学和激光技术的交叉领域，有望开辟光场调节技术的新兴领域。

腔内振荡和外腔空间调制能够实现结构光和非线性频率转换。为了实现灵活的结构光输出，空间光调制器可用于在激光腔内部和外部获得结构光，但是，这是一种间接的、低效的方法。一直到最近，较少的研究发现，结构光的腔内非线性频率生成提供了一种直接、有效的方法。

在激光腔内，一种被称为“横向锁模”(TML) 的效应能够直接从激光腔产生涡流光束或光学涡流。众所周知，固态微芯片激光器和 VCSEL 都可以在大菲涅耳数泵浦条件下产生非常相似的 TML 光束图案输出。 TML效应形成的复杂横向模式通常由具有不同权重系数和不同锁定相位的不同基本模式组成，并在基频模式中提供了丰富的空间信息。这些直接生成的 TML 光束的非线性频率转换引起了人们极大的兴趣，但尚未得到很好的研究。

北京理工大学、清华大学和亚利桑那州立大学的研究人员最近研究了横向锁模（TML）状态下各种被动调Q激光束的腔内二次谐波产生 (SHG)。他们分析了TML模式下SHG的电场变换和传播原理，精确预测了SHG光束、基频和横模的复杂远场光束模式。结构化的 TML 光束及其 SHG 光束由被动调 Q 的三明治状微芯片激光腔同时产生。该研究团队观察到许多罕见的 SHG 远场光束模式，他们的实验与模拟结果非常吻合。该研究目前已发表于 Advanced Photonics 。

研究表明，TML 模式的参数变化，尤其是基频模式的相位差，极大地改变了 SHG 光束的远场光束模式。生成的 SHG 光束模式随传播而变化，传播距离从束腰到瑞利长度的几倍，然后模式在远场中保持稳定。实验上观察到倍频光束模式比基频光束具有更明显的结构特征。

TML 激光模式的产生，尤其是频率转换的模式，为直接通过腔内方法获得各种结构光开辟了有趣的新途径。这项工作将有助于推进结构光的未来应用，特别是在光学 3D 打印、粒子光捕获和自由空间光通信领域。