【光学前沿】高功率单晶光纤激光器中高纯标量轨道角动量态的可控产生

    在现代光学研究中,光的轨道角动量(OAM)作为一种重要的光场特性,正在不断推动光学技术的发展。轨道角动量激光器因其独特的物理特性和广泛的应用前景,成为光学领域的研究热点。然而,如何在高功率条件下实现高纯度的轨道角动量态,一直是困扰研究人员的难题。本文将详细介绍一种新的解决方案,通过单晶光纤激光器和螺旋面输出耦合器的结合,实现了高功率、高纯度的标量轨道角动量态的可控产生。

 

【光学前沿】高功率单晶光纤激光器中高纯标量轨道角动量态的可控产生


    一、轨道角动量激光器的挑战
    模式简并与手性选择:在传统的轨道角动量激光器中,由于模式简并和手性选择的限制,很难实现高纯度的轨道角动量态.
    非线性热效应:高功率运行时,非线性热效应会导致激光器性能下降,影响轨道角动量态的稳定性和纯度.


    二、轨道角动量激光器的机遇
    光与物质相互作用的新领域:高纯度的轨道角动量激光器能够在光学操纵、光通信和量子光学等领域开辟新的应用前景.
    提升光的传输能力:通过增加光的轨道角动量,可以显著提高光的传输能力,为高维量子光学和自由空间光通信提供新的技术手段.


    三、单晶光纤激光器的优势
    1.高增益特性:单晶光纤具有高增益特性,能够在高功率条件下提供稳定的激光输出.
    2.良好的热管理:单晶光纤的高表面积与体积比,使其在高功率运行时具有良好的热管理能力,有效减少热效应的影响.


    三、螺旋面输出耦合器的设计
    精确控制轨道角动量态:通过设计具有特定相位结构的螺旋面输出耦合器,可以精确控制输出激光的轨道角动量态,实现高纯度的标量轨道角动量态.
    灵活的拓扑荷选择:螺旋面输出耦合器的相位结构可以根据需要进行调整,理论上可以产生任意拓扑荷的轨道角动量态.


    四、实验结果与分析
    创纪录的功率水平:实验中使用L=1的螺旋面输出耦合器,实现了63.3W的最大功率输出,斜率效率达到67%,这是迄今为止标量轨道角动量激光源的最高功率水平.
    高阶态的实现:通过更换L=8的螺旋面输出耦合器,成功实现了轨道角动量=8ћ的涡旋激光器,最大功率超过44W.
    高纯度的轨道角动量态:通过模态分解分析,实验结果表明,生成的轨道角动量光束具有高纯度,l=1和l=8模式的模态加权分别约为93%和92%.
    稳定的运行状态:在整个功率范围内,涡旋激光运行稳定,远场和近场中清晰的环形强度分布表明了其高纯度和稳定性.


    五、应用前景
    光学操纵:高纯度的轨道角动量激光器可以在光学操纵中施加更大的扭矩,捕获和操控微粒,推动光学微纳操控技术的发展.
    光通信:在自由空间光通信中,轨道角动量激光器可以显著提高光的传输容量,为高带宽通信提供新的解决方案.
    量子光学:在量子光学领域,轨道角动量激光器可以用于实现高维量子态的制备和传输,推动量子信息科学的进步.
    进一步提升功率:通过优化激光器结构和材料,进一步提升轨道角动量激光器的功率水平,满足更高功率应用的需求.
    拓展应用领域:探索轨道角动量激光器在其他领域的应用,如光学成像、光学传感等,推动相关技术的创新和发展.


    通过单晶光纤激光器和螺旋面输出耦合器的结合,实现了高功率、高纯度的标量轨道角动量态的可控产生,为光学技术的发展提供了新的动力。这项研究成果不仅在理论上具有重要意义,而且在实际应用中具有广阔的前景。未来,随着技术的不断进步,轨道角动量激光器将在更多领域发挥重要作用,推动光学技术的不断创新和发展.

创建时间:2025-01-06 13:54
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