利用腔内圆锥透镜直接生成多个拉盖尔-高斯模式

《IEEE Photonics Technology Letters》：Direct Generation of Multiple Laguerre–Gaussian Modes Using Intracavity Conical Lens

直接、顺序可调谐地生成多个拉盖尔-高斯（LG）模式，通过位移腔内圆锥透镜调控谐振腔参数，首次在固态介质中实现多阶拓扑电荷连续调谐，理论模拟与模式竞争机制解释了多模式现象，为光学操控和通信提供新方案。

　　

摘要：

我们展示了如何直接、有序地从Nd:YAG激光器中生成多个拉盖尔-高斯（LG）模式。通过沿谐振器轴线移动腔内圆锥透镜，我们实现了在L0±l模式下的振荡，并在特定位置实现了1064纳米波长的多个L0±l模式的同步发射。据我们所知，这是首次在固态系统中实现具有连续可调拓扑电荷的多L0±l模式激光输出。本研究的理论指导基于模拟结果，而多个L0±l模式的出现可以通过模式竞争来解释。作为一种新型的涡旋光束，有序可调的多L0±l模式发射在光学操控和光学通信领域具有广阔的应用前景。

引言

光学涡旋最早由P. Coullet等人在1989年提出[1]。它们具有螺旋波前和相位奇异性，通过拓扑电荷提供了额外的自由度，可用于光学镊子[2]、光学通信[3]等领域[4]。目前，光学涡旋的生成方法可分为两类：腔外转换[5]和腔内直接激发，后者旨在通过控制目标模式的增益与损耗关系来实现模式选择。为了确保某个特定的拉盖尔-高斯（LG）模式的净增益与其他不需要的LG模式区分开来，人们采用了多种泵浦方式，如环形泵浦光[7]和偏轴泵浦光[8]。与腔外转换相比，从谐振腔直接激发涡旋光束通常在功率处理、光束质量和转换效率方面表现更好[9]。为了控制模式阶数，研究人员在谐振腔内插入了不透明环等光学元件以构建非对称谐振腔[10]。2009年，Senatsky等人通过将具有高球面像差的凸透镜插入谐振腔来直接激发涡旋光束[11]。这种球面像差透镜的引入使得光路具有强大的光束分辨能力，无需使用带有损伤区域的专业光学元件，并显著提高了激光功率的可扩展性[12]。通过调整腔长和腔内两个凸透镜的位置，他们可以输出不同阶数的涡旋光束（即多个模式的相干叠加），最高阶数可达33[13]。2023年，他们改进了实验装置，将涡旋光束的最高阶数提升至317[12]；到2024年，这一纪录被打破，达到了355[14]。与此同时，A. Srinivasa Rao的研究小组也通过插入单个腔内凸透镜生成了阶数可调的涡旋光束[15]。尽管产生多个模式是一个非理想的结果，但如果能够对其进行控制，这一发现将具有重大意义。同样，圆锥透镜的插入也可以通过在不同LG模式之间引入损耗差异来生成涡旋光束[16]。