Generering af kraftige optiske hvirvler direkte fra en tyndskivelaseroscillator

I de senere år har optiske hvirvler tiltrukket sig omfattende opmærksomhed i laseravanceret fremstilling på grund af deres årlige intensitetsfordeling og orbitale vinkelmomentum.

Sammenlignet med den Gaussiske stråle med grundlæggende tværgående tilstand som lyskilde til laserablation og fremstilling, kan hvirvelstrålen generere en glattere ablativ overflade, og det orbitale vinkelmoment båret af hvirvelstrålen kan overføres til bearbejdningsmaterialet for at fremstille spiralen mikro-nano struktur med justerbare håndegenskaber.

Hvirvelstråler med høj effekt spiller en vigtig rolle i at forbedre effektiviteten af ​​laserfremstilling og afsløre loven om lys-stof-interaktion under ekstreme forhold. Hvordan man udforsker en stabil og pålidelig metode til at generere hvirvellys med høj effekt er blevet et varmt forskningsemne inden for relaterede områder.

I øjeblikket er det vanskeligt at generere hvirvellys med høj effekt med høj strålekvalitet ved at bruge konverteringsmetode med ekstern hulrumstilstand på grund af begrænsningerne af faseanordningens driftsbølgelængdebånd, lav effektskadetærskel og enhedsdefekten. En hvirvelstråle genereret direkte i hulrummet har fordelene ved god transmissionsstabilitet og høj strålekvalitet.

På nuværende tidspunkt er hvirvellys genereret ved intrakavitetsmetoden hovedsageligt baseret på helstoflaser og fiberlaser. På grund af den termiske effekt og lave skadetærskel er udgangseffekten af ​​den genererede hvirvelstråle for det meste i størrelsesordenen watt med den højeste effekt op til ~30W. Det kræver at udvikle en ny metode til direkte intrakavitetgenerering af hvirvelstrålerne med den høje udgangseffekt.

Tynd disklaser viser store fordele ved at generere højeffektlaser på grund af dens specielle struktur med stort pumpepunktsområde og høj varmeafledningseffektivitet. Kombinationen af ​​tyndskiveteknologi og generering af vortexlys giver en ny metode til at udvikle vortexlaserkilden med høj ydeevne.

I et papir udgivet i Light:Advanced Manufacturing , et team af forskere, ledet af professor Jinwei Zhang fra School of Optical and Electronic Information og Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology, Kina og kolleger, har bygget en tynd diskoscillator til at generere højeffekt optisk hvirvel stråle baseret på tværgående tilstand konkurrence og kontrol.

Ved at ændre størrelsen af ​​lyspletten i kaviteten oscillerer højordens tværgående tilstand først på grund af den lave forstærkningstærskel og bliver dominerende i kaviteten, hvilket undertrykker oscillationen af ​​den fundamentale tilstand. Forsøgsapparatet kan opdeles i to dele:den tynde skive-hvirveloscillator, som bruges til at generere hvirvellys med høj udgangseffekt, og Mach-Zender-interferometeret, som bruges til at detektere de spiralformede fasekarakteristika.

Ved at ændre positionen af ​​det stabile område af resonatoren kan størrelsen af ​​laserpletten af ​​fundamental mode på disken justeres. I dette tilfælde kan forstærkningen af ​​hver ordretilstand styres.

I eksperimentet blev førsteordens Laguerre Gaussian (LG)-tilstand kontrolleret til at have den laveste oscillationstærskel, som dominerede oscillationen i hulrummet og opnåede en høj effekt. For at opnå kontrol af chirale egenskaber blev en coatet smeltet silicaplade tilføjet i hulrummet for at ødelægge transmissionssymmetrien af ​​positivt og negativt chiralt hvirvellys, hvilket muliggjorde kontrol af chirale egenskaber ved at justere pladens vinkel.

Effekten af ​​spotstørrelse på mode-konkurrence blev undersøgt ved at simulere forstærkningsintegralet af hver ordens tværgående mode under forskellige spotstørrelser på disken.

Simuleringsresultaterne viser, at en LG-stråle af en bestemt størrelsesorden kan have et højere forstærkningsintegral end andre ordens tværgående tilstande ved at ændre størrelsen på grundtilstandspunktet, og denne tilstand dominerer hulrummet.

I forsøget opnåedes det første-ordens hvirvellys med den højeste effekt på 100 W og fremragende strålekvaliteter, og spiralfaseegenskaberne blev karakteriseret. Denne højeffekt hvirvellaser vil øge effektiviteten og fleksibiliteten af ​​materialebehandling, og den baner vejen for at udforske nyt parameterrum forbundet med struktureret lys.

Flere oplysninger: Hongshan Chen et al., 100-W Yb:YAG tyndskive hvirvellaseroscillator, Light:Advanced Manufacturing (2023). DOI:10.37188/lam.2023.040

Leveret af Chinese Academy of Sciences