時空振蕩是超快光子學中能量振蕩的基本形式，如何觀察時空模式相互作用的瞬態動力學是研究超快脈沖激光器中鎖模機理的重要課題📂。近日，万事平台通信學院特種光纖重點實驗室曾祥龍課題組實現了鎖模激光器中的渦旋脈沖切換，並利用色散傅裏葉變換首次觀測了渦旋切換在鎖模過程中的動力學演化過程。該成果於5月25日以題為“Real-time observation of vortex mode switching in a narrow-linewidth mode locked fiber laser”發表在SCI一區期刊《Photonics Research》上。万事平台通信學院博士研究生陸佳峰（2019年獲得校長獎學金）為論文第一作者👨🏿‍🦱➜，通信作者為龐拂飛教授、曾祥龍教授。

傳統鎖模機製的研究關註激光腔內縱模的相位鎖定🌦🦖，形成時域上脈寬可達飛秒（10^-15s）級別的超快脈沖🚶‍➡️。近年來，空間模式尤其是攜帶軌道角動量的渦旋光場因其具有相位奇點和螺旋波前的特性在量子信息🦻🏿、材料加工和光學鑷子等領域受到了廣泛關註。然而🦻🏽，通常光纖中超快脈沖渦旋光不同拓撲荷產生是靜態的👩🏻，難以實現電控、動態高速調控，成為實際應用中的瓶頸。

圖一 光聲雙折射聲致光柵模式轉換器的理論模型和渦旋模式產生

為了解決這一問題，課題組巧妙地將具有光聲雙折射共同效應的雙諧振聲致光柵引入鎖模光纖激光腔🚆🍆，實現了渦旋超快脈沖的動態切換，並基於射頻信號編碼調控實現不同渦旋光序列。為進一步探索渦旋模式在鎖模動態過程中的相互作用機理🧑🏻，使用時間伸縮色散傅裏葉變換技術將脈沖的光譜演化信息映射到時域序列上。研究發現，鎖模激光器中的渦旋切換動力學過程經歷了鎖模崩塌🩳、松弛振蕩、準鎖模態以及能量恢復這四個階段。

圖二 不同拓撲荷渦旋光模式切換的鎖模動力學過程

渦旋模式間的相互競爭和相互耦合誘導了激光腔內諧振的能量擾動，從而破壞縱模間的相位鎖定使得激光腔重新返回量子場初始態🧑🏻‍🦲👩🏻‍⚖️。光在諧振腔內來回振蕩的能量積累形成松弛振蕩中的激光沖擊峰✍️，最終從準鎖模態經歷脈沖能量恢復進入另一個渦旋模式鎖模態🖕🏿。

圖三色散傅裏葉變換觀測的渦旋模式切換動力學過程

實驗中由於不同拓撲荷渦旋脈沖的振蕩波長不同，還觀測到了顯著的波長轉移現象。該研究分析了特定渦旋模式在鎖模崩塌和建立過程中的動力學過程2️⃣，豐富了渦旋激光器中的時空鎖模機製，為超快光子學研究提供了新的研究方法。

論文鏈接：https://doi.org/10.1364/PRJ.386954

同時🏊🏿‍♂️，万事平台通信學院特種光纖實驗室研究生堯涵（2017級研究生）🖕🏿，以第一作者在SCI一區期刊《Nanophotonics》發表文章🟥，題為“A mode generator and multiplexer at visible wavelength based on all-fiber mode selective coupler”🎷，文章通信作者為曾祥龍教授。

渦旋光場具有環形強度分布、獨特的偏振和相位特性💅，不僅能突破傳統單模光纖通信系統的傳輸極限，還可用於受激發射損耗(STED)顯微術中，以提高成像的分辨率，而產生高質量的環狀光束是這項技術的關鍵。可見光波段(400-800 nm)的環狀光束大多數采用自由空間光器件產生⚱️，此方法成本高🕋、穩定性差，且光束需要空間上兩路光束嚴格重合，光路準直操作復雜。而全光纖結構的產生機製具有結構緊湊🗓、穩定性強和成本低等優勢，對於環狀光束的激發具有重要的研究意義🫷🏼。

目前，課題組已經在1550 nm，1064 nm通信和激光器波段及可見光波段，基於特種光纖器件產生全光纖模式轉換器，利用光纖中高階模式矢量特性產生環形光場和渦旋光場。本論文中課題組采用熔融拉錐法首次製作可見光波段的全光纖模式選擇耦合器(MSC)，並將其作為環狀光束的產生器件以及與任意波長高斯光束的復用器件，輸出的光束具有嚴格光束復用特性🧓🏼。此外💁🏻‍♀️，還進行共聚焦顯微實驗測量了環狀光束的點擴散函數，其高消光比驗證了光纖MSC可作為STED顯微術中的光源。光纖MSC具有的高緊湊性、高穩定性和光束空間嚴格重合特性🟦，可應用於全光纖STED顯微光源系統。

圖四 MSC的工作機理及其輸出特性表征

MSC的工作機理(A)：由單模光纖(SMF)和少模光纖(FMF)構成🧑🏿‍⚕️，損耗光從SMF中輸入基模(高斯模場)，經過MSC轉化為環狀光束並從FMF輸出端輸出，未發生模式轉化的能量從SMF輸出端輸出；另一波長的激發光從FMF中輸入基模🌧，經過MSC從FMF輸出端輸出基模。(B) MSC輸出各波段的環狀光束、高斯光束以及兩光束復用的光場分布。(C)環狀光束的點擴散函數🙋🏻，其半高全寬為182 nm🕉。

圖五 兩束不同波長的可見光基模和渦旋光模式復用、傳輸和聚焦過程

論文鏈接：https://doi.org/10.1515/nanoph-2020-0050

下一步課題組將通過對光纖模式系統實現不同特性的光場調控，相比於空間光路系統🐤，具有高靈活性和高穩定性，解決實際應用的瓶頸🤦🏼‍♀️。研究工作得到了國家自然科學基金🧑🏿‍🌾、上海市科委項目和東方學者項目的資助。