光的轨道角动量(OAM)与相位结构的旋转密切相关,在光与物质的相互作用中催生了诸多新颖的物理现象。轨道角动量激光器作为一种能够产生携带轨道角动量光束的装置,在光学通信、光学操纵、光学成像等领域展现出巨大的应用潜力。然而,直接产生具有高功率处理能力和源处可控状态的标量轨道角动量激光器一直面临着诸多挑战,如模式简并、手性选择困难以及非线性热效应等,这些因素甚至可能导致拓扑荷分裂,限制了其在实际应用中的推广。近期,赵永光等人提出了一种创新的解决方案,通过将单晶光纤激光器与集成螺旋面输出耦合器相结合,并巧妙调整位置相关的谐振模式,成功实现了具有创纪录功率水平(>60W)、高纯度(>90%)和可控轨道角动量状态(ћ或-8ћ)的标量光学涡旋激光器。这一成果不仅为高功率轨道角动量激光源的研制开辟了新途径,还为经典和量子光学领域,尤其是光-物质相互作用的研究注入了新的活力。
一、轨道角动量激光器的研究背景与挑战
光的角动量除了线性动量外,还可以沿光束轴携带角动量,其中轨道角动量是一个典型的代表。轨道角动量由围绕束轴的方位角坡印廷矢量分量的螺旋轨迹相关的螺旋相位产生,其值为lћ,l为方位角模数(拓扑荷),可以是任意整数。轨道角动量明显高于自旋角动量,使其在自由空间光通信、高维量子光学、光学操纵、超分辨率荧光显微镜和3D手性微结构制造等领域具有广泛的应用前景。然而,轨道角动量激光器的实际应用仍面临诸多挑战。首先,由于激光对相位元件的损坏或热透镜引起的不稳定性,其功率处理能力有限。其次,在高功率状态下,多横模竞争会导致模式不稳定和轨道角动量模式纯度的降低。此外,腔中方位角模式的简并通常会导致平均轨道角动量状态为零,需要额外的对称性破缺来选择定义的螺旋度。尽管过去几十年在轨道角动量光源的开发方面做出了相当大的努力,但其在专业实验室之外的实际应用仍然缺乏。
二、研究方法与实验设计
1.单晶光纤中泵浦光的传播动力学
该研究中使用的轨道角动量激光器包括一个传统的平面平行激光腔,腔内包含作为增益介质的单晶光纤和作为输出耦合器的螺旋面输出耦合器。单晶光纤是一根40毫米长的光纤状Yb:YAG薄晶体棒,半径为483μm。泵浦光被设计为在单晶光纤内的自由空间中传播共振模式时进行波导。通过1:3的望远镜后,将940nm的泵浦光注入Yb:YAG单晶光纤,测量的光斑直径约为320μm。光线追踪分析显示,泵浦光在单晶光纤的前部经历了自由空间传播,然后被引导通过剩余的25毫米长的区域。这种设计使得泵浦光在单晶光纤内形成一个长度约为25mm的波导区域,与共振激光模式的分布非常匹配,从而能够延长增益区域,提高激光器的功率处理能力。
2.螺旋面输出耦合器的理论分析
螺旋面输出耦合器具有光学抛光的平面和螺旋结构,其方位角模指数分别为L=1和L=-8。通过理论计算,可以得到输出梁模式的模态权重\|Cl,p\|2。对于L=1的情况,约93%的总权重来自LG0,1模式,而对于L=-8的情况,LGp,-8种模式的总权重约为90%。通过在不同径向折射率(p)下非相干叠加l=1的模式来模拟输出光束轮廓,可以得到类似于标准LG0,1模态的光束模式。对于L=-8的情况,虽然p≠0模式的比例增加到32%,但通过使用腔中的外部针孔或共振诱导滤波可以有效地消除由非零径向折射率引起的不需要的外环,从而实现高纯度的LG0,l模式。
3.标量轨道角动量激光的功率提升
轨道角动量激光器由940nm的高功率光纤耦合InGaAs激光二极管泵浦。单程吸收率为83%,单晶光纤前端和后端的泵浦强度分别约为180kWcm−2和30kWcm−2。实验结果表明,使用L=1的螺旋面输出耦合器可以实现63.3W的最大功率,对应于67%的斜率效率(49.4%的运算效率)。这是迄今为止标量轨道角动量激光源的最高功率水平。通过简单地将螺旋面输出耦合器更改为L=-8,实现了轨道角动量=-8ћ的涡旋激光器,在通过外部针孔后可提供>44W的最大功率。尽管在最高功率下,激光器的功率稳定性得到了验证,但略高的激光阈值和较低的斜率效率是由于螺旋面输出耦合器中步骤数量较多导致的散射和衍射损失较高。
三、关键结论与实验结果
1.腔内谐振模的动力学演化
研究人员使用2f–2f成像技术测量了腔内的谐振模式。结果显示,螺旋面输出耦合器反射的光束呈现出结构化的强度分布,经过空间傅里叶变换后,逐渐演变为高斯状强度分布。通过与准顶帽泵浦光束进行空间模式匹配,进一步清除了单晶光纤中的背景噪声,为高功率和高效率的轨道角动量激光运转提供了细长的增益区域。在被输入镜反射后,激光束再次穿过单晶光纤放大器,模式图案被进一步清理成高斯分布,没有背景强度噪声。这种方法允许空间模式转换的激光振荡,在腔中表现出位置相关的光束图案,但演变为类高斯光束,并在单晶光纤中经历空间增益滤波,因此,原则上能够实现高功率和高纯度轨道角动量激光运转,具有精确可控的方位角模式指数。
2.相位和模态纯度分析
研究人员通过一维傅里叶变换对产生的轨道角动量光束的平均拓扑荷进行了定量分析。实验值接近理论极限,表明所需l模的模态权重很高。此外,光束传播因子接近2p+ǀlǀ+1的理论极限,这意味着p≠0模的模态权重要低得多,并表明单个LG0,1或LG0,-8模的纯度很高。从马赫曾德干涉仪中涡旋光束的离轴干涉产生的叉干涉图中检索相位结构,进一步分析了输出轨道角动量光束的模态纯度。对于L=1的情况,l=1的总模态加权为95%,而对于L=-8的情况,l=-8模式的推导总模态加权值分别为94%和92%,突显了该方法在生成高纯度、高阶轨道角动量光束方面的鲁棒性和稳定性。
四、应用前景与展望
该研究提出的高功率、高纯度和可控轨道角动量状态的标量轨道角动量激光器,具有广泛的适用性和巨大的应用潜力。在光学操纵领域,其高纯度的轨道角动量光束可以在微粒上施加额外的扭矩,更有效地捕获大的介电物体,推动光学镊子技术的发展。在自由空间光通信领域,其高功率和高纯度特性有助于提高通信系统的传输容量和稳定性,为高维量子光学通信提供新的解决方案。此外,其环形空间强度分布还适用于超分辨率荧光显微镜和3D手性微结构的制造,有望在生物医学成像和纳米制造等领域发挥重要作用。未来,通过进一步优化单晶光纤的几何形状、泵浦方式以及腔内光学元件的设计,有望将光学涡旋的功率进一步提升到数百瓦,拓展其在更多领域的应用。同时,结合其他光学元件和调制技术,可以产生不同类别的高功率结构光,如任意有理序轨道角动量光或光涡旋阵列,为光学研究和应用带来更加丰富的可能性。