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前言

涡旋光是一种具有螺旋形相位的光，神奇的光场旋涡能够携带轨道角动量（orbital angular momentum，OAM），为光场调控提供了一个全新的自由度。目前涡旋光已广泛应用于微尺度物质操控、增强显微成像、光通讯扩容、量子计算等方面。许多研究表明，强场涡旋激光与物质相互作用会展现许多全新且重要的现象，高功率涡旋激光的产生备受关注。在高功率激光的应用中，我们往往需要将其聚焦到微米量级尺寸来提供极端物理环境，因此发展高功率涡旋激光，高功率和高质量缺一不可。目前能够实用化、具有高能量通量的光模式转换器只有反射式螺旋相位板。

但大尺寸的螺旋相位板存在价格昂贵、空间分辨率低（16或32个台阶）、无法克服螺旋相位板固有的拓扑荷色散问题。对于宽带的超短脉冲激光，这个问题会导致拓扑荷在远离中心波长处不再保持整数阶而导致光束质量下降。现有的宽带涡旋模式转换器，如Q片（这是一种光轴随方位角变化的波片），虽然带宽能满足超短脉冲激光的要求，但其能量通量受限于可加工尺寸。

近日，深圳大学和上海光学精密机械研究所的联合研究组成功实现了涡旋激光在啁啾脉冲放大（chirped-pulse amplification，CPA）系统里的宽带低拓扑荷色散放大，峰值功率达到45 TW。该方案可以直接应用于现有高功率激光系统，只需在系统中插入透射式宽带涡旋模式转换器并适当调整后续放大器之间的扩束比之外，无需对现有激光器结构进行改变。拓扑荷能够通过直接更换Q片在1和2之间灵活切换而无需重新准直光路。

相关成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2022年第5期。

Zhenkuan Chen, Shuiqin Zheng, Xiaoming Lu, et al. Forty-five terawatt vortex ultrashort laser pulses from a chirped-pulse amplification system[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2022, 10(5): 05000e32

“双高”涡旋激光

不同于直接在高功率激光器输出端设置大尺寸螺旋相位板的方案，此方案的思想是先利用宽带涡旋模式转换器产生高质量涡旋种子脉冲，再将种子脉冲注入到系列放大器中进行放大。这个方案主要的挑战在于涡旋光对增益对称性的要求远高于传统高斯光束。

相关实验在上海光机所现有的拍瓦激光系统上开展，利用了该系统的再生放大器和前4级多通放大器，运行在高斯模式下功率达到100 TW。在第二级放大器后插入宽带模式转换器，能够把20mJ的近高斯光束转换成18.7 mJ（拓扑荷l=1）/18.3 mJ（l=2）的涡旋种子光，如下图1(a)所示。模式转换器由Q片、两个1/4波片和一个偏振器组成，如图1(b)所示。模式转换器产生偏振相互垂直的涡旋模和高斯模噪声，偏振器能够将高纯度的涡旋模滤出，其带宽高达数百纳米。

图1 (a)涡旋CPA放大系统装置图；(b)涡旋模式转换器原理图

种子光在随后的两级4通放大器中进行放大，这两个放大器用平顶超高斯光束进行泵浦，能够大大降低放大对增益对称性的要求，从而保证涡旋光束放大的均匀性和稳定性。第一级4通放大器的泵浦功率约为1 J，能将输入种子光放大到270 mJ（l=1）/266 mJ（l=2）。第二级4通放大器的泵浦功率约为7 J，放大后的涡旋脉冲能量约为1.80 J（l=1）/1.83 J（l=2），光束外轮廓直径约为23 mm，如图2(a)和(d)所示。光斑经过1500 mm焦距的透镜进行聚焦，远场亮环大小为91 μm（l=1）/120 μm（l=2），远场的环中比（光束亮环处和中心暗斑的强度比）可达到11 dB（l=1）/10 dB（l=2），如图2(b)和(e)所示。采用焦距为250 mm的柱透镜作为模式鉴别器，在拓扑荷l=1和2情况下均得到高对比度干涉条纹图案，如图2(c)和(f)。

图2 第二级4通放大器输出的涡旋光光束。(a)，(b)和(c)分别是拓扑荷为1情况下对应的光束近场、远场和经柱透镜聚焦的光强分布，输出能量为1.80 J；(d)，(e)和(f)分别是拓扑荷为2情况下对应的光束近场、远场和经柱透镜聚焦的光强分布，输出能量为1.83 J

光束扩束到150 mm后输入到脉冲压缩器中，可以得到能量为1.3 J、脉宽为29 fs的涡旋光输出，峰值功率达到45 TW，是目前涡旋光直接放大的最高纪录，脉冲单次自相关结果如图3(a)所示。压缩后的光谱宽度为43 nm，光谱形状经过前端声光可编程色散滤波器（Dazzler）调制后呈马鞍状，如图3(b)所示。利用一个直径150 mm、焦距F 600 mm的离轴抛物面镜对压缩后的光束进行聚焦，焦斑直径约为10 μm（包含50%激光能量），焦斑内平均强度达到2.7×10¹⁹ W/cm²，如图3(c)和(d)所示。焦斑环中比约为6 dB，远低于压缩前的远场光束质量（见图2），这归因于离轴抛物面镜的残余像差以及大尺寸压缩器的空时耦合效应，并非源于激光放大。

图3 压缩后的涡旋激光特性（拓扑荷为1）

(a) 激光脉冲单次自相关曲线；(b) 展宽和压缩后的光谱特性；

(c) 激光近场特性；(d) 经F/4离轴抛物面镜聚焦后焦斑强度分布

该报道验证了利用CPA系统直接放大涡旋种子光是产生高质量高功率涡旋激光的一条有效路径，甚至有望实现PW量级涡旋光。这也为强场激光物理的研究，如激光聚变快点火、涡旋粒子加速、超强磁场产生、强涡旋太赫兹产生、涡旋高次谐波产生、天文环境模拟等，提供了一个重要的工具。

前景展望

深圳大学的研究组成员蔡懿表示：“我们下一步的目标是将激光功率提升到PW量级。当然，阻碍我们实现目标的困难也很多，如缺乏合适的涡旋模自适应光学系统、光放大的不均匀性、放大晶体中的自发辐射放大(amplified spontaneous emission, ASE)，以及其他未知的问题，这是一件具有挑战性但也令人充满期待的事。”

编辑 | 周琦雅

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