硬核激光结构光的原理设计和类型详解
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撰稿
君与同行
01
结构光的历史背景
激光的历史可以追溯到半个多世纪以前，它不仅对许多研究学科而且对我们的日常生活都产生了深远的影响。
梅曼的第一个光腔具有制造激光器所需的三个核心部分：一种增益介质，一种激发它的手段，以及一个光学谐振器，谐振模式的空间分布由平面-平面法布里-珀罗（FP）腔内的衍射塑造。
起初，人们认为只有平面波会在这样的空腔中共振，几乎没有余地对输出光的空间分布进行“裁剪”。
在这项开创性的工作之后，研究人员开始思考如何控制输出场的结构形态，并成功展示了通过幅度滤波进行空间模式的控制，随后使用相位滤波也实现了类似的效果，最近又结合了更多的自由度，如光的自旋和轨道角动量，并逐步朝着直接在光源处进行完全模式控制的最终目标迈进。
02
什么是结构光？
结构光来源于在空间和时间上“定制”光场的能力，前者是指对光场的振幅（强度）、相位（波前）和偏振的控制，而后者是指对光场的时间和频谱的控制。
结构光已经逐渐发展成为光学领域中一种重要的工具，在成像、显微镜检测、激光材料加工以及光通信等众多领域中展现出巨大的应用前景。
图一.各种形式的结构光的示例
03
如何在激光器外部和内部产生结构光？
3.1设计方法
3.1.1外部构建结构光
绝大多数结构光是在光源外部构建的标量场。有多种方法可以实现此目的，如图2所示，根据允许的步骤数、要控制的自由度以及可接受的损耗量进行选择。
第一种外部构建结构光的方法如图2a所示，
单步式有损耗复振幅调制方法，可以对近场相位和振幅进行控制。使用透镜组将输出平面中继到所需的位置，同时透镜组还充当空间滤波器以去除不需要的光。此时输出远场的相位和振幅都已构造成所需的轮廓。
第二种外部构建结构光的方法如图2b所示，
单步式无损耗纯相位调制方法，可对输出远场振幅或近场相位进行整形，此时输出远场的相位未受控制。
第三种外部构建结构光的方法如图2c所示，
两步式无损耗纯相位调制方法，可对输出远场中的相位和振幅进行整形。第一个元件构造所需的振幅，第二个元件校正相位。
图二.激光器外部构建结构光的方法
3.1.2内部构建结构光
在谐振腔内部产生结构光的方法之间区别很大，这里我们以简单的FP谐振腔为例进行介绍。基本的想法就是找到谐振腔的基本共振模式，即在每次往返之后以最低损耗重复的模式。
第一种内部构建结构光的方法如图3a所示，
单步式有损耗振幅调制方法，通过在谐振腔内部放置一个振幅掩膜版，可以在空间上控制增益或损耗，以选择所需的模式。
第二种内部构建结构光的方法如图3b所示，
分级相位镜调制方法,可以设计一个分级相位反射镜，通过相位控制产生一个谐振腔的共振模式，通常也要结合一些振幅控制。
第三种内部构建结构光的方法如图3c所示，
两步式无损耗纯相位调制方法,类似于第三种外部构建结构光的方法，将外部两步整形方法插入激光腔内部，以实现内部结构光的构建。
图三.激光器内部构建结构光的方法
3.2实施方案
早期的结构光仅利用透射掩模进行振幅控制，而后期则采用计算机生成的全息图（CGH）进行相位控制。CGH利用空间变化的深度d(x,y)来调整（动力学）相位。
随后空间光调制器（SLM）的出现使深度得以保持固定，取而代之的是变化每个像素的局部折射率n(x,y)。
SLM的出现使得结构光得到快速发展，激发了无数的应用，尤其是在光通信、量子光学、成像、显微镜、激光材料加工以及光学捕获和光镊等领域。
目前已经能够仅使用两个SLM实现对光的偏振、相位和振幅的完全控制，以构建奇特的结构光图案。通过分别构造每个偏振分量，然后通过干涉法将其组合，也是使用动力学相位来构建矢量光束的一种方式。
使用几何相位来替代动力学相位，也可以构建奇特的光矢量状态。
最初是使用空间变化的亚波长光栅超材料来实现，每个亚波长光栅都充当一个偏振器并伴随着额外的光学相位变化。
后来，采用液晶、超表面和超材料也实现了类似的器件，并在构造携带轨道角动量（OAM）的标量和矢量结构光中取得了特别的成功。
之后，结合早期振幅掩膜版所采用的傅里叶技术，数字微镜设备（DMDs）也能够实现对光的振幅、相位和偏振态的完全控制，目前这种仅控制振幅来实现结构光的技术已经成为近期的研究热点，并被用于构建多种形式的结构光。
04
各种类型的结构光激光器
4.1OAM激光器
激光器的OAM模式是一种特殊的标量模式。
从激光腔中产生OAM模式通常需要插入特殊的光学元件。
最早报道的OAM模式是产生于二氧化碳激光器中。该激光器使用腔内柱面透镜控制相位并结合螺旋相位板，从而产生具有特定螺旋度的OAM模式。
从那时起，OAM激光器不断发展，并取得了众多进展。目前激光器输出OAM模式的最高螺旋度为l=，这是由刻在镜面上的环形振幅掩模产生的，部分结果如图4所示。
图四.高OAM结构光
产生矢量涡旋光束是产生OAM光束的一个扩展，特别是径向和方位角偏振光的产生。
如图5所示，使用具有偏振选择性反射的腔内轴锥，可产生径向偏振的环形和弧形结构光。
图五.径向偏振环形结构光
OAM和波长的可调性在通讯和生物采样领域是一个热门话题。
如图6所示的是混合自由空间和光纤平台上实现的可重构涡旋激光器。
该激光器将光纤激光器的概念与带有SLM的动态腔内模式控制相结合，形成涡旋光束，可在Δλ=35nm和Δl=10范围内调节波长和螺旋度。
图六.可调涡旋激光器
4.2基于其他几何结构的结构光激光器
到目前为止，所描述的激光器都假定存在一个谐振腔，在每次往返后输出所需的模式。抛弃这个概念之后能够构建更多奇异的结构光激光器。
基于共聚焦不稳定谐振腔的激光器，其输出模式如图7所示。
这种激光器除了简单的光圈和传统的抛光球面镜外没有其他内部元件，但可以输出复杂的分形结构光图案。
图七.来自非稳腔的分形结构光
基于腔内二维微球阵列的混合微型激光器是产生分形结构光的另一种方法，如图8所示。
通过调节腔体长度和球体几何形状，这种混合激光器可以从球体中输出拉盖尔-高斯（Laguerre–Gaussian）光束、厄米-高斯（Hermite–Gaussian）光束和因斯-高斯（Ince–Gaussian）光束。
图八.来自混合微型激光器的分形结构光
基于象散谐振腔的万花筒激光器，产生自象散激光腔的多个厄米-高斯光束穿过圆柱透镜并相互叠加，以形成这些奇特的类似分形的结构光——万花筒模式，如图9所示。
图九.万花筒激光模式
基于无序结构的无光腔随机激光器，目前为止讨论的激光器都是利用光学谐振腔实现的，通过利用激光器中的无序结构（例如粉末、液晶）可以在没有谐振腔的情况下实现激光作用——即随机激光器。
最近研究表明，可以通过控制纳米结构的方向和密度来控制随机激光器输出光场的空间结构，如图10所示。
图十.受控随机激光模式
4.3基于结构化物质的结构光激光器
除了采用特殊的光腔结构，结构化物质在结构光激光的设计中也发挥重要作用。
当传统激光器的概念与拓扑光子学的思想相结合，从结构化物质腔中产生结构光，这着实令人兴奋。目前，光子晶体纳米微腔和拓扑绝缘体已被用于结构光的产生。
最新进展是在半导体微型激光器中使用时间反转对称性来控制输出OAM模式的螺旋度。
如图11所示，微柱结构被手性泵浦所激发，激发出的OAM模式的螺旋度由泵浦光的旋向控制。
图十一.来自微型激光器的手性控制
05
总结
5.1结构光激光器的优势
1、激光是天然的过滤器，可以用来消除不需要的模式，与外部方法相比，可以同时提高模式的纯度和功率。
2、外部构建结构光引入的损耗无法轻易克服，而结构光激光器可以通过增加泵浦功率来补偿。3、结构光激光器更加易于实现片上集成。
4、结构光激光器作为整体化的解决方案，在未来的市场化应用中具有明显优势。
5.2结构光激光目前遇到的瓶颈
1、功率受限
受光束整形元件自身功率阈值的限制，大多数结构化光激光器的功率较低。新材料的使用，包括超表面的应用，将来可能会克服这一局限性；此外采用结构光放大器也是一个值得考虑的方案。
2、设计方法受限
另一个紧迫的局限性是设计方法本身。当前，大多数设计技术中的重点是确定最低阶谐振模式，但未考虑可能的高阶模式。未来需要努力发展出通用的设计方法。
总之，尽管目前在结构光激光器领域已经取得了巨大的进步，但是在设计方法，实现方式以及实际器件方面仍然存在着广阔的机遇。
论文以“StructuredLightfromLasers”为题发表在“LaserPhotonicsReviews”杂志上。
来源：长春光机所Light学术出版中心
编辑：他和猫
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