南京大學物理學院王慧田、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形腔結構設計策略，既規避了不同OAM模式間的隨機競爭，又解決了OAM模式數量和手性的控制問題，成功實現了多模OAM梳數字激光器；進一步演示了腔內增強的OAM梳二次諧波產生。該腔內主動調控空間結構激光的策略，不僅有助于新激光技術的開發、促進結構光更廣泛的應用，而且為操控腔增強結構光與物質的相互作用提供了新的契機。
相位結構渦旋光攜帶的光子OAM因其固有的正交性和無限維度，已成為一種重要的數據存儲和處理資源，為新興高維信息技術的發展提供了有前景的解決方案。OAM在
光學顯微鏡、安全加密、微操作、光通信和量子信息等經典和量子領域發揮著日益重要作用。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，為此已發展多種被動和主動方案。被動方案，即指無增益介質的無源方案，利用專門設計的光學元件將高斯模式轉換為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、微納結構等。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，如光纖激光器、定制諧振腔、拓撲結構、光子晶體和微環腔等。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激光器具有模態好、純度高等優點，尤為重要的是，可為非專業用戶直接提供所需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；特別是按需OAM梳和任意多OAM模式尚未在源頭實現。
為此，研究人員首先提出并證實了一種以期最小復雜性實現動態、可控切換的按需數字多模OAM梳的策略：具有二重對稱性的多渦旋相位圖設計方案(如圖1所示)。在該設計中，僅需調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梳在內的任意OAM譜。基于上述設計策略，利用空間光調制器(SLM)等純相位調制元件即可便捷地實現從基模高斯光到攜帶多模OAM光的高效轉換。該純相位調制方式的高效性為實現多模OAM(尤其是OAM梳)數字激光器奠定了基礎。
圖1 基于具有二重對稱性的多渦旋相位圖設計原理
其次，研究人員提出了一種新穎的嵌套環形腔結構，如圖2(a)所示：在該“8”字環形腔中，有一對加載共軛多渦旋相位圖的SLM和一個嵌入的4f系統構成的簡并腔；其中虛線框所示的部分可以等效為一個腔鏡M12，這樣“8”字形的環形腔簡化為一個由M12、M3和M4構成的穩定三鏡環形腔，如圖2(b)所示。一個穩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被轉化為攜帶有預設相位的結構激光模式，然后經4f系統成像在攜帶共軛預設相位的SLM2上，最后在M2-M3路徑中被再次恢復到高斯模式。由于嵌入的簡并腔可以支持任意相位編碼模式，突破了常規穩定環形腔的橫模限制；另一方面， 在“8”字環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，便可從腔中提取預設的結構激光模式輸出。這一新穎激光器設計，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，結合可編程的空間光調制器，實現了靈活、高相干性、可任意相位編碼的空間結構光數字激光器。如圖3所示，研究人員利用該激光器輸出了高達64梳齒數的OAM梳激光。
圖2 “8”字形數字激光器設計圖
圖3 數字激光輸出的OAM梳激光及實驗測得的OAM譜分布
與腔外相比，數字激光器支持的腔內結構光提供了數量級增強的能量密度，為開展腔增強結構光與物質的相互作用帶來了新的契機。以二次諧波產生為例，如圖4所示，研究人員在腔內放置LBO晶體，成功實現了單渦旋激光及OAM梳的腔增強倍頻；在相同的泵浦條件下，相比于腔外倍頻，非線性轉換效率提升了340余倍。激光諧振腔增強的空間結構光非線性過程未來有望在不易直接相位調控的波段，用于空間結構光的生成。
動態按需OAM梳狀數字激光器的實現在主動控制高容量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的發展提供了一種有前景的解決方案，也為開展空間結構光與各種物質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
相關成果以“On-demand orbital angular momentum comb from a digital laser”為題發表在Optica上 [Optica 11, 951-961 (2024)]。南京大學物理學院特任副研究員任志成和揚州大學樊莉教授為論文共同第一作者，南京大學物理學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構物理國家重點實驗室和南京微結構協同創新中心的支持，得到了國家重點研發計劃、江蘇省自然科學基金、國家自然科學基金、江蘇省“雙創人才”和廣東省重點領域研發計劃項目等的資助。
