【摘 要】
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涡旋光束的光强呈环状分布,中心光强为零,并且相位呈螺旋分布,在传播过程中携带轨道角动量,并且涡旋光束在进行长距离传播时稳定性很强,在操纵微粒时无热损耗,因此涡旋光束为空间光通信、物理数学、光学计算和光学信息处理提供了不同的方法和途径。由于光学涡旋转换器的波长敏感性,研究人员在之前关于涡旋光束的研究中主要集中在（准）连续波领域。然而,近年来人们在超快光学领域取得了很大的发展和进步,这就促使人们在将涡
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涡旋光束的光强呈环状分布,中心光强为零,并且相位呈螺旋分布,在传播过程中携带轨道角动量,并且涡旋光束在进行长距离传播时稳定性很强,在操纵微粒时无热损耗,因此涡旋光束为空间光通信、物理数学、光学计算和光学信息处理提供了不同的方法和途径。由于光学涡旋转换器的波长敏感性,研究人员在之前关于涡旋光束的研究中主要集中在（准）连续波领域。然而,近年来人们在超快光学领域取得了很大的发展和进步,这就促使人们在将涡旋光束和时域调控技术结合从而产生超短脉冲涡旋方面展开了很多相关研究。超快涡旋同时具有超短脉冲和涡旋光束的优点,因此既具有高能量密度的特点,同时还携带着轨道角动量,因此超快涡旋的产生有助于人们研究高强度场条件下的物理实验,并且,超快涡旋还可以为光与物质的相互作用带来新的自由度。除此之外,超短涡旋脉冲在超快物理和化学领域、超快非线性光谱和精密加工方面都有巨大的潜力,这为涡旋光束开辟了新的应用前景。本文对可见光波段超快涡旋激光展开了相关研究,研究工作主要包括以下几部分内容:（1）对激光谐振腔的模式理论进行分析,并且使用Matlab软件对谐振腔模式以及模式叠加进行仿真模拟;（2）开展了 Pr:YLF晶体连续波高阶涡旋激光实验研究,针对Pr:YLF晶体在红光639 nm处,结合离轴泵浦操作和旋转输出镜的操作,获得了高阶HG0.120模式。通过在腔外放置一对柱透镜,并使用合适的聚焦镜对输出的HG光斑进行聚焦以满足柱透镜转换的模式匹配条件,获得了相应的LG0,120模式;（3）开展了 Pr:YLF晶体调Q高阶涡旋激光实验研究,针对Pr:YLF晶体,采用V型腔结构,利用Co:ASL作为可饱和吸收体,获得了 Pr:YLF被动调Q激光器,该被动调Q激光器的最大平均功率、最短脉冲宽度、最大脉冲能量和峰值功率分别为:230 mW、158 ns、2.5μJ、17 W,并且在实验中调Q性能稳定。采用与连续波激光器中相同的操作,即离轴泵浦结合旋转输出镜,获得了调Q运转下高达12阶的HG0,12模式,同样采用腔外转换的方式获得了 LG0,12模式;（4）开展了 Pr:YLF晶体被动锁模激光实验研究,使用Pr:YLF晶体作为激光增益介质,采用双端泵浦的X腔型,使用石墨烯可饱和吸收镜,获得了深红光锁模脉冲,并且实验时在探测到的脉冲序列中没有观察到大周期的调制包络,说明系统处于稳定的连续波锁模状态而不是调Q锁模状态,锁模脉冲的单脉冲宽度为73.4 ps,基频信噪比为46 dB,证明系统处于稳定的锁模状态;（5）开展了 Pr:YLF晶体深红超快涡旋实验研究,在获得锁模脉冲之后,通过调节腔镜倾斜角度获得了超短脉冲涡旋,此时的单脉冲宽度为74.5 ps,基频信噪比为42 dB,由于在微调腔镜的过程中会引入损耗,因此相比基模锁模单脉冲宽度有些许加宽。另外,为了检验所得涡旋光束的螺旋相位,采用一个简单的自制Fizeau干涉仪来验证得到的涡旋光束是否有螺旋波面,使用一个平凹镜,将待测光束通过该镜片之后会分别产生球面波和平面波,不断调整该镜片的位置和倾斜角度使得两束光波能够很好地进行干涉,在CCD中可以得到清晰的螺旋干涉条纹,并且该涡旋光束手性保持稳定。另外通过对激光晶体进行平移可以控制涡旋的手性。这是国际上首次直接从谐振腔中实现了可见光波段的超快涡旋激光。
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