【光學前沿】高功率單晶光纖激光器中高純標量軌道角動量態的可控產生及其應用前景

    光的軌道角動量（OAM）與相位結構的旋轉密切相關，在光與物質的相互作用中催生了諸多新穎的物理現象。軌道角動量激光器作為一種能夠產生攜帶軌道角動量光束的裝置，在光學通信、光學操縱、光學成像等領域展現出巨大的應用潛力。然而，直接產生具有高功率處理能力和源處可控狀態的標量軌道角動量激光器一直面臨著諸多挑戰，如模式簡并、手性選擇困難以及非線性熱效應等，這些因素甚至可能導致拓撲荷分裂，限制了其在實際應用中的推廣。近期，趙永光等人提出了一種創新的解決方案，通過將單晶光纖激光器與集成螺旋面輸出耦合器相結合，并巧妙調整位置相關的諧振模式，成功實現了具有創紀錄功率水平（>60W）、高純度（>90%）和可控軌道角動量狀態（?或-8?）的標量光學渦旋激光器。這一成果不僅為高功率軌道角動量激光源的研制開辟了新途徑，還為經典和量子光學領域，尤其是光-物質相互作用的研究注入了新的活力。

    一、軌道角動量激光器的研究背景與挑戰

    光的角動量除了線性動量外，還可以沿光束軸攜帶角動量，其中軌道角動量是一個典型的代表。軌道角動量由圍繞束軸的方位角坡印廷矢量分量的螺旋軌跡相關的螺旋相位產生，其值為l?，l為方位角模數（拓撲荷），可以是任意整數。軌道角動量明顯高于自旋角動量，使其在自由空間光通信、高維量子光學、光學操縱、超分辨率熒光顯微鏡和3D手性微結構制造等領域具有廣泛的應用前景。然而，軌道角動量激光器的實際應用仍面臨諸多挑戰。首先，由于激光對相位元件的損壞或熱透鏡引起的不穩定性，其功率處理能力有限。其次，在高功率狀態下，多橫模競爭會導致模式不穩定和軌道角動量模式純度的降低。此外，腔中方位角模式的簡并通常會導致平均軌道角動量狀態為零，需要額外的對稱性破缺來選擇定義的螺旋度。盡管過去幾十年在軌道角動量光源的開發方面做出了相當大的努力，但其在專業實驗室之外的實際應用仍然缺乏。

    二、研究方法與實驗設計

    1.單晶光纖中泵浦光的傳播動力學

    該研究中使用的軌道角動量激光器包括一個傳統的平面平行激光腔，腔內包含作為增益介質的單晶光纖和作為輸出耦合器的螺旋面輸出耦合器。單晶光纖是一根40毫米長的光纖狀Yb:YAG薄晶體棒，半徑為483μm。泵浦光被設計為在單晶光纖內的自由空間中傳播共振模式時進行波導。通過1:3的望遠鏡后，將940nm的泵浦光注入Yb:YAG單晶光纖，測量的光斑直徑約為320μm。光線追蹤分析顯示，泵浦光在單晶光纖的前部經歷了自由空間傳播，然后被引導通過剩余的25毫米長的區域。這種設計使得泵浦光在單晶光纖內形成一個長度約為25mm的波導區域，與共振激光模式的分布非常匹配，從而能夠延長增益區域，提高激光器的功率處理能力。

    2.螺旋面輸出耦合器的理論分析

    螺旋面輸出耦合器具有光學拋光的平面和螺旋結構，其方位角模指數分別為L=1和L=-8。通過理論計算，可以得到輸出梁模式的模態權重\|Cl,p\|2。對于L=1的情況，約93%的總權重來自LG0,1模式，而對于L=-8的情況，LGp,-8種模式的總權重約為90%。通過在不同徑向折射率（p）下非相干疊加l=1的模式來模擬輸出光束輪廓，可以得到類似于標準LG0,1模態的光束模式。對于L=-8的情況，雖然p≠0模式的比例增加到32%，但通過使用腔中的外部針孔或共振誘導濾波可以有效地消除由非零徑向折射率引起的不需要的外環，從而實現高純度的LG0,l模式。

    3.標量軌道角動量激光的功率提升

    軌道角動量激光器由940nm的高功率光纖耦合InGaAs激光二極管泵浦。單程吸收率為83%，單晶光纖前端和后端的泵浦強度分別約為180kWcm?2和30kWcm?2。實驗結果表明，使用L=1的螺旋面輸出耦合器可以實現63.3W的最大功率，對應于67%的斜率效率（49.4%的運算效率）。這是迄今為止標量軌道角動量激光源的最高功率水平。通過簡單地將螺旋面輸出耦合器更改為L=-8，實現了軌道角動量=-8?的渦旋激光器，在通過外部針孔后可提供>44W的最大功率。盡管在最高功率下，激光器的功率穩定性得到了驗證，但略高的激光閾值和較低的斜率效率是由于螺旋面輸出耦合器中步驟數量較多導致的散射和衍射損失較高。

    三、關鍵結論與實驗結果

    1.腔內諧振模的動力學演化

    研究人員使用2f–2f成像技術測量了腔內的諧振模式。結果顯示，螺旋面輸出耦合器反射的光束呈現出結構化的強度分布，經過空間傅里葉變換后，逐漸演變為高斯狀強度分布。通過與準頂帽泵浦光束進行空間模式匹配，進一步清除了單晶光纖中的背景噪聲，為高功率和高效率的軌道角動量激光運轉提供了細長的增益區域。在被輸入鏡反射后，激光束再次穿過單晶光纖放大器，模式圖案被進一步清理成高斯分布，沒有背景強度噪聲。這種方法允許空間模式轉換的激光振蕩，在腔中表現出位置相關的光束圖案，但演變為類高斯光束，并在單晶光纖中經歷空間增益濾波，因此，原則上能夠實現高功率和高純度軌道角動量激光運轉，具有精確可控的方位角模式指數。

    2.相位和模態純度分析

    研究人員通過一維傅里葉變換對產生的軌道角動量光束的平均拓撲荷進行了定量分析。實驗值接近理論極限，表明所需l模的模態權重很高。此外，光束傳播因子接近2p+?l?+1的理論極限，這意味著p≠0模的模態權重要低得多，并表明單個LG0,1或LG0,-8模的純度很高。從馬赫曾德干涉儀中渦旋光束的離軸干涉產生的叉干涉圖中檢索相位結構，進一步分析了輸出軌道角動量光束的模態純度。對于L=1的情況，l=1的總模態加權為95%，而對于L=-8的情況，l=-8模式的推導總模態加權值分別為94%和92%，突顯了該方法在生成高純度、高階軌道角動量光束方面的魯棒性和穩定性。

    四、應用前景與展望

    該研究提出的高功率、高純度和可控軌道角動量狀態的標量軌道角動量激光器，具有廣泛的適用性和巨大的應用潛力。在光學操縱領域，其高純度的軌道角動量光束可以在微粒上施加額外的扭矩，更有效地捕獲大的介電物體，推動光學鑷子技術的發展。在自由空間光通信領域，其高功率和高純度特性有助于提高通信系統的傳輸容量和穩定性，為高維量子光學通信提供新的解決方案。此外，其環形空間強度分布還適用于超分辨率熒光顯微鏡和3D手性微結構的制造，有望在生物醫學成像和納米制造等領域發揮重要作用。未來，通過進一步優化單晶光纖的幾何形狀、泵浦方式以及腔內光學元件的設計，有望將光學渦旋的功率進一步提升到數百瓦，拓展其在更多領域的應用。同時，結合其他光學元件和調制技術，可以產生不同類別的高功率結構光，如任意有理序軌道角動量光或光渦旋陣列，為光學研究和應用帶來更加豐富的可能性。