时空振荡是超快光子学中能量振荡的基本形式，如何观察时空模式相互作用的瞬态动力学是研究超快脉冲激光器中锁模机理的重要课题。近日，上海大学通信学院特种光纤重点实验室曾祥龙课题组实现了锁模激光器中的涡旋脉冲切换，并利用色散傅里叶变换首次观测了涡旋切换在锁模过程中的动力学演化过程。该成果于5月25日以题为“Real-time observation of vortex mode switching in a narrow-linewidth mode locked fiber laser”发表在SCI一区期刊《Photonics Research》上。上海大学通信学院博士研究生陆佳峰（2019年获得校长奖学金）为论文第一作者，通信作者为庞拂飞教授、曾祥龙教授。
传统锁模机制的研究关注激光腔内纵模的相位锁定，形成时域上脉宽可达飞秒（10-15s）级别的超快脉冲。近年来，空间模式尤其是携带轨道角动量的涡旋光场因其具有相位奇点和螺旋波前的特性在量子信息、材料加工和光学镊子等领域受到了广泛关注。然而，通常光纤中超快脉冲涡旋光不同拓扑荷产生是静态的，难以实现电控、动态高速调控，成为实际应用中的瓶颈。
图一 光声双折射声致光栅模式转换器的理论模型和涡旋模式产生
为了解决这一问题，课题组巧妙地将具有光声双折射共同效应的双谐振声致光栅引入锁模光纤激光腔，实现了涡旋超快脉冲的动态切换，并基于射频信号编码调控实现不同涡旋光序列。为进一步探索涡旋模式在锁模动态过程中的相互作用机理，使用时间伸缩色散傅里叶变换技术将脉冲的光谱演化信息映射到时域序列上。研究发现，锁模激光器中的涡旋切换动力学过程经历了锁模崩塌、松弛振荡、准锁模态以及能量恢复这四个阶段。
图二 不同拓扑荷涡旋光模式切换的锁模动力学过程
涡旋模式间的相互竞争和相互耦合诱导了激光腔内谐振的能量扰动，从而破坏纵模间的相位锁定使得激光腔重新返回量子场初始态。光在谐振腔内来回振荡的能量积累形成松弛振荡中的激光冲击峰，最终从准锁模态经历脉冲能量恢复进入另一个涡旋模式锁模态。
图三色散傅里叶变换观测的涡旋模式切换动力学过程
实验中由于不同拓扑荷涡旋脉冲的振荡波长不同，还观测到了显著的波长转移现象。该研究分析了特定涡旋模式在锁模崩塌和建立过程中的动力学过程，丰富了涡旋激光器中的时空锁模机制，为超快光子学研究提供了新的研究方法。
论文链接：https://doi.org/10.1364/PRJ.386954
同时，上海大学通信学院特种光纤实验室研究生尧涵（2017级研究生），以第一作者在SCI一区期刊《Nanophotonics》发表文章，题为“A mode generator and multiplexer at visible wavelength based on all-fiber mode selective coupler”，文章通信作者为曾祥龙教授。
涡旋光场具有环形强度分布、独特的偏振和相位特性，不仅能突破传统单模光纤通信系统的传输极限，还可用于受激发射损耗(STED)显微术中，以提高成像的分辨率，而产生高质量的环状光束是这项技术的关键。可见光波段(400-800 nm)的环状光束大多数采用自由空间光器件产生，此方法成本高、稳定性差，且光束需要空间上两路光束严格重合，光路准直操作复杂。而全光纤结构的产生机制具有结构紧凑、稳定性强和成本低等优势，对于环状光束的激发具有重要的研究意义。
目前，课题组已经在1550 nm，1064 nm通信和激光器波段及可见光波段，基于特种光纤器件产生全光纤模式转换器，利用光纤中高阶模式矢量特性产生环形光场和涡旋光场。本论文中课题组采用熔融拉锥法首次制作可见光波段的全光纤模式选择耦合器(MSC)，并将其作为环状光束的产生器件以及与任意波长高斯光束的复用器件，输出的光束具有严格光束复用特性。此外，还进行共聚焦显微实验测量了环状光束的点扩散函数，其高消光比验证了光纤MSC可作为STED显微术中的光源。光纤MSC具有的高紧凑性、高稳定性和光束空间严格重合特性，可应用于全光纤STED显微光源系统。
图四 MSC的工作机理及其输出特性表征
MSC的工作机理(A)：由单模光纤(SMF)和少模光纤(FMF)构成，损耗光从SMF中输入基模(高斯模场)，经过MSC转化为环状光束并从FMF输出端输出，未发生模式转化的能量从SMF输出端输出；另一波长的激发光从FMF中输入基模，经过MSC从FMF输出端输出基模。(B) MSC输出各波段的环状光束、高斯光束以及两光束复用的光场分布。(C)环状光束的点扩散函数，其半高全宽为182 nm。
图五 两束不同波长的可见光基模和涡旋光模式复用、传输和聚焦过程
论文链接：https://doi.org/10.1515/nanoph-2020-0050
下一步课题组将通过对光纤模式系统实现不同特性的光场调控，相比于空间光路系统，具有高灵活性和高稳定性，解决实际应用的瓶颈。研究工作得到了国家自然科学基金、上海市科委项目和东方学者项目的资助。
