基于无限制轨道角动量阶梯上升实现无谐振法布里-珀罗腔

《Nature Communications》：Resonance-free Fabry-Pérot cavity via unrestricted orbital-angular-momentum ladder-up

为解决光学谐振腔因空间场结构改变导致光谱响应受限的难题，研究人员开展了一项关于"无谐振法布里-珀罗腔"的主题研究。通过在紧凑型FP腔内引入单个全息相位掩模(HPM)作为轨道角动量(OAM)模式转换器，实现了LG0,m→LG0,m±1的连续转换，使腔场在每次往返中OAM阶数增加2。这种无限制模态阶梯上升效应破坏了腔内相干干涉，最终使光谱响应在腔长变化350%范围内保持无谐振平坦特性，为稳定光学传感和微腔激光提供了新平台。

　　

在光学研究领域，法布里-珀罗腔（Fabry-Perot cavity）一直是不可或缺的基础元件，从激光器的发明到引力波探测，其应用遍布光学技术的各个角落。然而，传统光学谐振腔存在一个根本性矛盾：场增强与谐振线宽之间的互补关系。要想获得更强的场增强，就必须牺牲带宽，这使得谐振腔只能在离散的谐振波长处实现高效的光学反馈。这种特性严重限制了谐振腔在需要宽带操作的场景中的应用，例如稳定型光学传感器和宽带激光器。

更令人困扰的是，传统谐振腔的性能对腔长变化极其敏感。微米级的长度扰动就可能导致谐振峰的显著偏移，这使得高精度光学系统在真实环境中面临巨大挑战。近年来，研究人员尝试通过空间光场调控来改变谐振腔的特性，但在波导结构中基于厄米-高斯（Hermite-Gaussian, HG）模式的尝试只能实现有限的模态切换，无法真正突破谐振限制。

面对这一挑战，来自中佛罗里达大学光学与光子学学院的研究团队提出了一种革命性的解决方案。他们意识到，要实现真正的宽带无谐振操作，必须从根本上破坏腔内光的相干干涉过程。而关键在于选择正确的模态基组——轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）携带的拉盖尔-高斯（Laguerre-Gaussian, LG）模式。

与HG模式不同，LG模式具有独特的螺旋相位前沿，不同阶数之间具有严格的正交性。研究团队设想，如果能够在每次光往返过程中连续改变OAM阶数，产生无限制的模态阶梯上升（unrestricted orbital-angular-momentum ladder-up），那么不同往返路径的光场将因模态正交性而无法发生相干干涉，从而彻底抑制谐振现象。

为实现这一目标，研究团队开发了一种专门的全息相位掩模（Holographic Phase Mask, HPM），该元件采用光热折射（Photo-Thermo-Refractive, PTR）玻璃制备，能够在薄型体积布拉格光栅中嵌入LG模式的相位分布。这种HPM能够高效地将任意LG_m模式转换为LG_m+1模式，转换效率对所有模态阶数均超过85%。

关键技术方法包括：利用全息干涉技术在PTR玻璃中记录HPM的相位分布；构建紧凑型自由空间法布里-珀罗腔（腔长1.3-4.8mm）；采用柱面透镜变换技术进行OAM模态识别；通过LG模式分选器（mode-sorter）分析输出场的模态组成；使用光学频谱仪测量传输光谱特性。

常规FP腔与无谐振FP腔的对比

研究团队首先构建了传统的平面FP腔作为对照，其传输光谱显示出明显的离散谐振峰，自由光谱范围（Free Spectral Range, FSR）随腔长变化而改变。当引入HPM后，腔场演化发生了根本性变化：入射的LG₀模式在每次通过HPM时阶数增加1，每次往返净增2，产生从LG₁到LG₁₉的奇数次模态序列。

RFC中的模式转换

理论分析表明，LG模态基组的关键优势在于其对称性：单个HPM即可实现所有模态阶数的连续转换，而HG模式需要多个专用转换器。在理想情况下，当HPM衍射效率为100%时，RFC的传输光谱完全平坦，输出场为多个正交LG模式的叠加，其光谱与输入源完全一致。

HPM的模态表征

实验验证显示，制备的HPM能够产生接近理想的2π相位变化（实测为0.96±0.025×2π弧度），保证了转换后模态的正交性。对前7个LG模式的转换效率测量表明，平均衍射效率达到87.5%，满足RFC实现无谐振操作的要求。

RFC的模态表征

通过LG模式分选器对RFC输出场进行分析，观察到从LG₁到LG₁₉的奇数次模态序列，每个模态的功率比前一个降低约14.5%。这种逐渐衰减源于腔镜有限反射率、HPM效率偏差以及非理想相位变化等因素。

光谱表征

最关键的光谱测量结果显示，当腔长在1.3mm至4.8mm范围内变化时（相当于350%的变化幅度），传统FP腔的FSR从274pm变化到100pm，而RFC的传输光谱始终保持平坦，与输入源光谱高度一致。对单个LG模式（LG₁、LG₃、LG₅）的独立光谱测量进一步证实，每个组成模态均呈现无谐振特性。

这项发表于《Nature Communications》的研究首次实验证实了通过无限制OAM阶梯上升实现共振自由光学腔的可行性。研究的意义不仅在于提供了一种新型光学腔设计，更重要的是开辟了空间-频谱维度耦合研究的新方向。RFC对腔长变化的强鲁棒性为开发稳定光学传感器提供了全新思路，同时为活性微腔激光、量子通信和非厄米光学系统研究提供了创新平台。

特别值得关注的是，RFC产生的OAM梳状结构与光学频率梳的结合，可能催生同时具有频谱和空间维度结构的光场——光弹簧（light springs）。此外，RFC系统为在合成维度（模态阶数和波长）中研究异常点（exceptional points）的非厄米动力学提供了理想实验平台。这项研究标志着光学腔设计范式的重大转变，从追求高Q值谐振转向可控的无谐振操作，为下一代集成光子器件和先进光学系统奠定了理论基础。