南京大學(xué)物理學(xué)院王慧田、汪喜林研究組在軌道角動量(Orbital Angular Momentum，簡稱OAM)激光器研制中取得重要進展。提出了含一對共軛多螺旋相位全息鏡和嵌入簡并腔的嵌套環(huán)形腔結(jié)構(gòu)設(shè)計策略，既規(guī)避了不同OAM模式間的隨機競爭，又解決了OAM模式數(shù)量和手性的控制問題，成功實現(xiàn)了多模OAM梳數(shù)字激光器；進一步演示了腔內(nèi)增強的OAM梳二次諧波產(chǎn)生。該腔內(nèi)主動調(diào)控空間結(jié)構(gòu)激光的策略，不僅有助于新激光技術(shù)的開發(fā)、促進結(jié)構(gòu)光更廣泛的應(yīng)用，而且為操控腔增強結(jié)構(gòu)光與物質(zhì)的相互作用提供了新的契機。
 

　　相位結(jié)構(gòu)渦旋光攜帶的光子OAM因其固有的正交性和無限維度，已成為一種重要的數(shù)據(jù)存儲和處理資源，為新興高維信息技術(shù)的發(fā)展提供了有前景的解決方案。OAM在光學(xué)顯微鏡、安全加密、微操作、光通信和量子信息等經(jīng)典和量子領(lǐng)域發(fā)揮著日益重要作用。為充分利用光子OAM，靈活地控制和生成OAM模式變得尤為重要，為此已發(fā)展多種被動和主動方案。被動方案，即指無增益介質(zhì)的無源方案，利用專門設(shè)計的光學(xué)元件將高斯模式轉(zhuǎn)換為OAM模式，如計算全息圖、螺旋相位板、液晶q-板、亞波長光柵、超表面、光纖光柵、微納結(jié)構(gòu)等。主動方案，即指在源頭上直接從OAM激光器輸出OAM模式，其核心單元是OAM激光器，可基于不同的機制或配置來實現(xiàn)，如光纖激光器、定制諧振腔、拓撲結(jié)構(gòu)、光子晶體和微環(huán)腔等。盡管小型化的主動OAM器件總是被期待，但是體OAM激光器也受到越來越多的重視，成為國際上的焦點。體OAM激光器具有模態(tài)好、純度高等優(yōu)點，尤為重要的是，可為非專業(yè)用戶直接提供所需OAM激光。然而，按需生成任意OAM譜(尤如類似于頻率梳的OAM梳)仍然是一個挑戰(zhàn)；特別是按需OAM梳和任意多OAM模式尚未在源頭實現(xiàn)。
 

　　為此，研究人員首先提出并證實了一種以期最小復(fù)雜性實現(xiàn)動態(tài)、可控切換的按需數(shù)字多模OAM梳的策略：具有二重對稱性的多渦旋相位圖設(shè)計方案(如圖1所示)。在該設(shè)計中，僅需調(diào)控相位圖中每個扇形渦旋的初始相位，即可按需生成包含OAM梳在內(nèi)的任意OAM譜。基于上述設(shè)計策略，利用空間光調(diào)制器(SLM)等純相位調(diào)制元件即可便捷地實現(xiàn)從基模高斯光到攜帶多模OAM光的高效轉(zhuǎn)換。該純相位調(diào)制方式的高效性為實現(xiàn)多模OAM(尤其是OAM梳)數(shù)字激光器奠定了基礎(chǔ)。
 

圖1 基于具有二重對稱性的多渦旋相位圖設(shè)計原理
 

　　其次，研究人員提出了一種新穎的嵌套環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，如圖2(a)所示：在該“8”字環(huán)形腔中，有一對加載共軛多渦旋相位圖的SLM和一個嵌入的4f系統(tǒng)構(gòu)成的簡并腔；其中虛線框所示的部分可以等效為一個腔鏡M12，這樣“8”字形的環(huán)形腔簡化為一個由M12、M3和M4構(gòu)成的穩(wěn)定三鏡環(huán)形腔，如圖2(b)所示。一個穩(wěn)定諧振腔通常將以高斯模式振蕩，因此在M4-M1路徑中振蕩的高斯模式由SLM1被轉(zhuǎn)化為攜帶有預(yù)設(shè)相位的結(jié)構(gòu)激光模式，然后經(jīng)4f系統(tǒng)成像在攜帶共軛預(yù)設(shè)相位的SLM2上，最后在M2-M3路徑中被再次恢復(fù)到高斯模式。由于嵌入的簡并腔可以支持任意相位編碼模式，突破了常規(guī)穩(wěn)定環(huán)形腔的橫模限制；另一方面， 在“8”字環(huán)形腔的其它路徑上仍然以基模高斯振蕩，相比于高階模式激光，具有很高的穩(wěn)定性。當在簡并腔中插入一個偏振分束器，便可從腔中提取預(yù)設(shè)的結(jié)構(gòu)激光模式輸出。這一新穎激光器設(shè)計，既克服了簡并腔空間相干性較差的問題，又解決了非簡并腔模式競爭的問題，結(jié)合可編程的空間光調(diào)制器，實現(xiàn)了靈活、高相干性、可任意相位編碼的空間結(jié)構(gòu)光數(shù)字激光器。如圖3所示，研究人員利用該激光器輸出了高達64梳齒數(shù)的OAM梳激光。
 

圖2 “8”字形數(shù)字激光器設(shè)計圖
 

圖3 數(shù)字激光輸出的OAM梳激光及實驗測得的OAM譜分布
 

　　與腔外相比，數(shù)字激光器支持的腔內(nèi)結(jié)構(gòu)光提供了數(shù)量級增強的能量密度，為開展腔增強結(jié)構(gòu)光與物質(zhì)的相互作用帶來了新的契機。以二次諧波產(chǎn)生為例，如圖4所示，研究人員在腔內(nèi)放置LBO晶體，成功實現(xiàn)了單渦旋激光及OAM梳的腔增強倍頻；在相同的泵浦條件下，相比于腔外倍頻，非線性轉(zhuǎn)換效率提升了340余倍。激光諧振腔增強的空間結(jié)構(gòu)光非線性過程未來有望在不易直接相位調(diào)控的波段，用于空間結(jié)構(gòu)光的生成。
 

　　動態(tài)按需OAM梳狀數(shù)字激光器的實現(xiàn)在主動控制高容量OAM資源方面取得了重要進展。該研究為高維糾纏和通信等新興高維技術(shù)的發(fā)展提供了一種有前景的解決方案，也為開展空間結(jié)構(gòu)光與各種物質(zhì)的腔增強相互作用研究提供了支撐。
 

圖4 腔增強的渦旋光及軌道角動量梳倍頻
 

　　相關(guān)成果以“On-demand orbital angular momentum comb from a digital laser”為題發(fā)表在Optica上 [Optica 11, 951-961 (2024)]。南京大學(xué)物理學(xué)院特任副研究員任志成和揚州大學(xué)樊莉教授為論文共同第一作者，南京大學(xué)物理學(xué)院王慧田教授和汪喜林教授為共同通訊作者。上述研究工作得到了固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點實驗室和南京微結(jié)構(gòu)協(xié)同創(chuàng)新中心的支持，得到了國家重點研發(fā)計劃、江蘇省自然科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金、江蘇省“雙創(chuàng)人才”和廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃項目等的資助。