近日，光电学院的张子龙副研究员与其所在赵长明教授团队的成员，联合清华大学柳强教授团队、美国亚利桑那州立大学李向家教授团队，研究了基于横模锁定结构光束的内腔非线性频率变换理论与技术，采用具有三明治构型的微型激光谐振腔实现了具有复杂空间结构的绿光输出。该研究为微腔直接生成结构光束及实现其腔内非线性频率变换做了创新性工作。该项研究成果发表于中国激光杂志社旗舰刊物Advanced Photonics，题为：Second harmonic generation of laser beams in transverse mode locking states. 同时，研究成果也被SPIE（国际光学工程学会）及PHYS.org（世界科技研究新闻咨询网）分别以新闻形式进行报道。

空间结构光束的产生及其非线性频率变换是激光技术和光场调控技术领域的热点研究内容。对于结构光束的产生，分为腔外调控和腔内谐振两种技术途径。腔外调控技术有多种光学元件能够实现高斯光束向空间结构光束的转换。腔内谐振产生技术可直接通过调节泵浦源或谐振腔结构生成高阶横模及其叠加态，从而构成涡旋光束或包含光涡旋阵列的结构光束。近年来，对结构光束的相关研究逐步扩展向了非线性频率变换领域。目前，空间结构光束的非线性频率变换还主要以腔外调控技术为主，采用腔内频率变换产生结构光束谐波的研究近两年开始获得关注。 

研究工作创新性的探索了谐振腔内横模锁定结构光束的二次谐波产生现象，通过理论仿真与实验验证为大家介绍了横模锁定结构光束的频率变换效果，并呈现了众多前所未见的绿光结构光束。图1是倍频光生成的理论分析及仿真，证明了横模锁定光束与未锁定光束的非线性频率变换后谐波光强分布具有明显区别，且可以据此判断基频光的模式锁定状态。

图1. 横模锁定与未锁定状态下的二倍频仿真分析

实验设计了具有三明治构型的被动调Q及倍频微片谐振腔。该设计能够在保证大菲涅尔数泵浦的条件下提供足够的非线性频率变换增益。通过控制泵浦光与晶体微片的相对位置来选择谐振腔内振荡的基频模式。利用上述微片谐振腔，可以实现基于多种拉盖尔高斯（LG）及厄密高斯（HG）模式锁定状态下的倍频输出。通过调整泵浦光在微片上的入射角度和距离，能够改变腔内振荡的基频模式和锁定相位，从而获得类型丰富、结构新颖复杂的绿光光束，如图2、图3所示。

图2. 由LG 模式组成的横模锁定基频光和相应的倍频光实验结果

图3. 由HG 模式组成的横模锁定基频光和相应的倍频光实验结果

以上研究工作在激光探测、激光空间通信、光学粒子操控、及光学三维打印等领域具有重要应用价值。接下来该团队还将进一步就系统效率、输出功率、光谱拓展等方面开展探索，并尝试开展相关技术领域的应用研究。

Advanced Photonics期刊聚焦热点，始终以引导重大科学成果传播发展为导向。自2019年创刊起所有文章已被Science Citation Index Expanded (SCIE)数据库收录，预计第一个JCR影响因子将于2022年6月公布，并将进入全球光学期刊前5行列。

论文索引信息：

Zilong Zhang*, Yuan Gao, Xiangjia Li, Xin Wang, Suyi Zhao, Qiang Liu, Changming Zhao. Second harmonic generation of laser beams in transverse mode locking states[J]. Advanced Photonics, 2022, 4(2): 026002

论文全文下载地址：

https://www.researching.cn/articles/OJ78b0f90aabdcc51d

SPIE网站新闻链接：

https://spie.org/news/direct-generation-of-complex-structured-light?SSO="1

PHYS.org网站新闻链接：

https://phys.org/news/2022-03-complex.html