摘要
近年来，具有空间非均匀偏振态的圆柱矢量光束和具有螺旋波前的涡旋光束作为经典的高阶庞加莱光束在粒子捕获、光学通信技术、量子技术、超分辨成像、生物医学与化学检测等应用领域得到了广泛的应用。圆柱矢量光束和涡旋光束分别可在高阶庞加莱球赤道和两极处的位置来描述。基于固体激光器输出的光束质量高并且稳定性较好，但同时存在输出激光的高阶模式的种类单一、模式的可调控性差、激光器的光学转换效率低和激光器的结构复杂等缺点。随着科技的不断发展以及实际应用的需求，需要可以在不同阶数之间可随意切换的高光束质量和偏振纯度的可控偏振态的高阶庞加莱光束。针对以上问题，本文系统地研究了基于固体激光器腔内产生阶数可切换的高阶庞加莱光束，主要研究内容如下： （1）在琼斯矢量和琼斯矩阵理论的基础上，研究了基于涡旋半波片的高阶庞加莱光束的模式调控理论，提出在级联涡旋半波片的中间插入两片四分之一波片，实现涡旋半波片阶数的加减；进而设计和搭建了阶数可切换高阶圆柱矢量光束固体激光器，实验研究其模式特性和动力学特性。研究结果表明，通过控制激光腔内的偏振态，可以获得阶数可切换的高模式纯度的任意圆柱矢量光束输出，当输出m=2阶的圆柱矢量光束时，其中心波长为1064.6 nm，模式纯度为95.2%，斜率效率为8.9%。该方法为阶数可切换圆柱矢量光束的产生，以及圆柱矢量光束固体激光器的研究提供了新的思路。 （2）在上述研究的基础上，进一步研究基于固体激光器阶数可切换圆柱矢量光束和涡旋光束的产生方法。在腔内插入法拉第旋光器等器件实现了圆柱矢量光束和涡旋光束的自在现，并通过庞加莱球的狄拉克算符理论进行验证；然后搭建实验装置，基于固体激光器直接产生圆柱矢量光束和涡旋光束，其中心波长为1064.6 nm。m=3-1和m=3+1阶输出光束的斜率效率分别为12.5%和10.2%，模式纯度为95.7%和94.8%。该方法首次基于固体激光器实现了阶数可切换圆柱矢量光束和涡旋光束的可控输出。 （3）构建了基于调Q固体激光器的阶数可切换纳秒脉冲高阶庞加莱光束产生的实验装置，采用Cr4+:YAG晶体实现被动调Q脉冲输出，并通过实验分析了不同阶数的庞加莱光束的输出脉冲特性。研究结果表明，当泵浦功率从4 W提高到7.5 W时， m=3-1阶庞加莱光束的脉冲宽度从1.5μs减小到415 ns，脉冲重复频率从40 kHz增加到227 kHz，单脉冲能量从2.25μJ减小到1.57μJ；当泵浦功率从5 W提高到7.5 W时， m=3+1阶庞加莱光束的脉冲宽度从1.5μs减小到590 ns，脉冲重复频率从38 kHz增加到135 kHz，单脉冲能量从3.15μJ减小到1.85μJ。
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