近日，河北工業(yè)大學先進激光技術研究中心團隊與澳大利亞麥考瑞大學、日本千葉大學和哈爾濱理工大學合作，成功在金剛石拉曼激光振蕩器中實現(xiàn)了大波長拓展的拉曼渦旋光直接輸出。相關研究成果以“Diamond Raman Vortex Lasers”為題發(fā)表于《ACS Photonics》，并入選封面文章。近日，該成果得到國際最大激光門戶網(wǎng)站Laser Focus World的頭條報道，同時登上最近一期的Photonics Hot List。

       金剛石憑借其寬光譜透過范圍和優(yōu)異的熱物理特性，展現(xiàn)出在渦旋光波長拓展方面的獨特優(yōu)勢與巨大潛力。我中心團隊創(chuàng)新性地將簡單高效的腔內渦旋光產(chǎn)生方式——離軸泵浦，與傳統(tǒng)的外腔雙鏡駐波型金剛石拉曼振蕩器相結合，采用1 μm激光作為泵浦光源，通過精確調控諧振腔輸出鏡的離軸角度，在一階和二階金剛石拉曼振蕩器中，分別獲得了1.2 μm和1.5 μm的拉曼激光輸出，并成功實現(xiàn)高斯基模、厄米-高斯（HG）模式以及拉蓋爾-高斯（LG）模式的高質量光束調控。

       一階拉曼渦旋光束

       在一階金剛石拉曼轉換實驗中，研究團隊采用在一階拉曼波長處透過率低于0.5%的輸出鏡，并構建了準共心型諧振腔結構。通過精確調控輸出鏡在不同方向的旋轉角度，他們成功獲得了如圖 1(a) 所示的多種模式的1.2 μm激光輸出。其中，當諧振腔處于準直狀態(tài)時，激光輸出呈現(xiàn)高斯基模；當輸出鏡分別在水平和垂直平面方向上離軸旋轉時，產(chǎn)生HG1,0和HG0,1模式輸出；當輸出鏡沿45°斜對角方向旋轉時，則獲得具有中空強度分布的LG模式輸出。進一步地，通過對LG模式光束進行干涉測量（如圖 2(b) 所示），證實其具有螺旋相位分布，表明其為渦旋光束。對應的光譜特性如圖 2(c) 所示。在最大泵浦功率下，實驗分別實現(xiàn)了65.5 W的高斯基模激光輸出和42.2 W的LG模式輸出，對應的轉換效率分別為23.8%和15.3%。

       二階拉曼渦旋光束

       為了進一步拓展拉曼渦旋光的工作波長范圍，研究團隊在二階金剛石拉曼振蕩器中采用相同的離軸調控方法，成功獲得了不同模式的1.5 μm激光輸出，實驗結果如圖2所示。在最大泵浦功率下，分別實現(xiàn)了119.4 W的高斯基模輸出和22.2 W的LG模式二階Stokes輸出，進一步驗證了該方法在高階拉曼轉換中的有效性和可擴展性。

       總結與展望

       作為一種性能優(yōu)異的新型光學晶體，金剛石因其寬光譜透過范圍和卓越的熱學特性，在近年受到廣泛關注并取得快速發(fā)展。我中心團隊創(chuàng)新性地將簡單的離軸泵浦方式與傳統(tǒng)的外腔金剛石拉曼振蕩器相結合，首次在一階及級聯(lián)金剛石拉曼振蕩器中實現(xiàn)了1.2 μm和1.5 μm金剛石渦旋光的直接輸出。這一研究不僅展現(xiàn)了金剛石在渦旋光波長拓展方面的獨特優(yōu)勢，也進一步拓寬了金剛石激光技術的應用邊界，為高功率、多波長渦旋光的高效產(chǎn)生提供了全新思路和技術支撐。

       論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsphotonics.4c01852