撰稿|由课题组供稿
近日，北京邮电大学电子工程学院徐坤教授、桂丽丽教授课题组与南丹麦大学纳米光学中心Sergey I. Bozhevolnyi教授、丁飞助理教授课题组合作，提出并展示了一种等离激元超构表面辅助的波长可调谐涡旋光纤激光器，研究成果以“60-nm-Span Wavelength-Tunable Vortex Fiber Laser with Intracavity Plasmon Metasurfaces”为题发表在ACS Photonics上。桂丽丽教授与博士生王传硕为共同第一作者，徐坤教授与桂丽丽教授为共同通讯作者。
涡旋激光器有望直接产生携带有轨道角动量（OAM）的高纯度、高功率结构光束，特别是直接输出波长可调谐的OAM光束，在大容量光通信等领域具有极大的应用前景。与腔外生成OAM光束的方式相比，将模式调制元件引入腔内可以构建更高效、紧凑、用户友好的涡旋激光光源。与传统固态激光器相比，光纤激光器具有高增益、低成本和无需水冷（或冷却方便）等优势。然而，由于受到模式转换元件的窄工作带宽和/或高插入损耗的影响，传统涡旋光纤激光器的波长调谐范围较窄，一般不超过35 nm。光学超构表面作为一种轻薄、新颖的亚波长平面元件，可以在较宽的波长范围内高效灵活地操纵光场, 成为光纤激光器腔内模式调节的理想选择之一。
该工作通过结合腔内等离激元超构表面，提出并展示了一种新颖的涡旋光纤激光器，波长调谐范围是以往报道的其他涡旋光纤激光器的近2倍。通过对超构表面的灵活设计和带宽优化，该激光器仅利用普通单模光纤，即可实现在 1015 nm 至 1075 nm 波长范围内连续可调谐的 l = ±1 的OAM光束输出，方案简单紧凑，且容易拓展至生成其他结构光束和高阶OAM光束的应用中。
为了高效、低成本和稳定地直接从光纤激光器中产生OAM光束，该工作设计了图1所示的线性腔结构。光纤部分的各器件之间采用单模保偏光纤连接，单模光纤提供了非常纯净的本征模式，这使得控制模式数和模式纯度非常简单和有效。腔一端的反射型的间隙表面等离激元（Gap-surface plasmon, GSP）超构表面作为OAM光束转换器，基于正交线性偏振转换的原理和超构表面的相位调控机制，从超构表面反射的光束中同时包含了交叉偏振的OAM光束和偏振状态未发生改变的同偏振残余（CPR）类高斯光束。由于这两部分光束的偏振状态相互正交，因此由超构表面产生的OAM光束分量可通过偏振分束器（PBS）直接耦合至腔外，CPR光束通过准直器被耦合回光纤路径。腔内光束可以在光纤反射镜和超构表面之间来回振荡放大，形成自洽传输。为了验证超构表面的宽带操纵能力和激光器的波长可调谐特性，在准直器和增益光纤（Yb-PMF）之间加入了一个可调谐滤波器（Tunable Filter）。通过改变可调谐滤波器的中心波长，可以连续调节激光器的工作波长。
图1. 基于等离激元超构表面的涡旋光纤激光器的结构示意图
有趣的是，尽管由于类法布里-珀罗（FP）腔的作用，GSP超构表面可以实现高的交叉偏振反射率（~80%），然而，为了确保有足够多的光反馈到激光腔中，GSP超构表面的交叉偏振反射率需要做一定的优化设计。因为产生OAM光束的交叉偏振通道刚好是激光器的损耗来源。对于非常高的交叉偏振反射率，就需要相当大的泵浦注入功率才能达到激光器振荡阈值；如果过高，激光器甚至可能不起振。相反，过低的交叉偏振反射率也会导致较低的输出功率，涡旋激光的斜率效率较低。相比腔外的超构表面，腔内超构表面的具体参数设计要与激光器的目标性能联合起来考虑。
图2. 用于OAM光束生成的超构表面设计。(a) 超构表面产生OAM光束原理示意图，(b) 基本单元结构，(c-d) 不同效率下的超构表面单元的模拟，(e-f) 超构表面SEM图。
图3. 基于不同超构表面设计的涡旋激光器的输出功率与注入泵浦功率的关系
以交叉偏振效率Rcr = 40% 的GSP超构表面为例，作者模拟了其在1000 nm至1100 nm波长范围内的宽带特性。由图4(a) 可见，随着波长增加，相邻超构表面单元之间的交叉偏振仍保持基本恒定的π/4相移增量。因此在各个波长处都可以获得近乎2π的全相位调控。实验证实，在1015 nm至1075 nm波长范围内，激光器都可以获得 l = ±1的涡旋光束输出，且输出光束可以保持约90%的高OAM模式纯度。
图4. 超构表面的宽带特性的模拟。包括 (a) 8个单元的交叉偏振相移 (φcr)，(b) 交叉偏振反射率 (Rcr)，(c) 同偏振反射率 (Rco)。
图5. 涡旋激光器从1015 nm到1075 nm的宽带可调谐特性
该设计理念可以自由扩展到其他结构光束（如高阶OAM、Airy光束）的生成方案中。此外，可以针对不同材料（金属或介电）的超构表面，设计不同波长（红外、可见等）的涡旋光纤激光器，甚至通过动态超构表面来增加结构光源的可重构性和功能性，进一步丰富涡旋光纤激光器的性能和应用。
本工作得到了国家自然科学基金、北京市科技新星人才计划、信息光子学与光通信全国重点实验室课题、北京邮电大学重大预研项目、丹麦Villum研究基金、丹麦独立研究基金、国家留学基金等项目的资助。
Lili Gui, Chuanshuo Wang, Fei Ding, Hao Chen, Xiaosheng Xiao, Sergey I. Bozhevolnyi, Xiaoguang Zhang, and Kun Xu, "60 nm Span Wavelength-Tunable Vortex Fiber Laser with Intracavity Plasmon Metasurfaces," ACS Photonics 10, 623–631 (2023).
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acsphotonics.2c01625
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