實現(xiàn)激光模式在厄米-拉蓋爾-高斯空間自由調(diào)控！

更新時間：2025-12-19

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封面展示了基于離軸泵浦產(chǎn)生高階二維厄米-高斯（HG）模式激光的過程。利用像差對諧振腔對稱性和本征模式的限定作用，基于簡單高效的離軸泵浦方法實現(xiàn)了兩個模式序數(shù)均靈活可控的二維HG模式激光輸出，使激光模式的選擇調(diào)控范圍能夠覆蓋整個厄米-拉蓋爾-高斯空間。

研究背景

高階HG模式結(jié)構(gòu)光場在量子光學、引力波探測、空間光通信等前沿領域具有重要應用，離軸泵浦是產(chǎn)生高階HG模式結(jié)構(gòu)光場直接的方法。當泵浦光偏離諧振腔光軸時，會優(yōu)先激發(fā)與泵浦光空間交疊大的高階HG模式。這種簡單高效的選擇性激發(fā)方法不僅能產(chǎn)生超過100階的HG模式，還可支持數(shù)十瓦的高功率輸出。

然而，現(xiàn)有離軸泵浦HG模式激光的研究主要局限于一維模式——僅能通過改變泵浦光的位置調(diào)控兩個模式序數(shù)中的一個（HGm,0或HG0,n）。即使在兩個正交方向同時引入泵浦光離軸偏移，也只能激發(fā)傾斜的一維HG模式，而非二維HGm,n模式。

為實現(xiàn)二維HGm,n模式激光輸出，研究人員通常采用多路泵浦光或空間調(diào)制泵浦光對增益區(qū)域進行精確控制，或借助腔內(nèi)柱透鏡變換以及將諧振腔調(diào)偏等方法。但這些方案的實現(xiàn)過程較為復雜，也難以獲得很高階模式的激光輸出。目前有源方法和無源方法產(chǎn)生的高階二維HGm,n模式分別是基于數(shù)字微鏡陣列調(diào)制泵浦光實現(xiàn)的HG27,25模式，以及基于空間光調(diào)制器產(chǎn)生的HG25,25模式，轉(zhuǎn)換效率均低于1%。

二維離軸泵浦難以產(chǎn)生二維HGm,n模式的主要原因在于傾斜一維HG模式的競爭。當諧振腔具有圓柱對稱性時，沿任意方向的傾斜一維HG模式都是諧振腔的本征模，二維的離軸泵浦等價于坐標變換后的一維離軸泵浦。由于一維HG模式的能量分布相比二維HGm,n模式更為集中，具有更高的泵浦交疊，因此會先于二維HGm,n起振。

創(chuàng)新工作

針對上述問題，天津大學姚建銓院士、史偉教授課題組提出通過離軸泵浦產(chǎn)生二維HG模式。關鍵在于通過引入像散破壞諧振腔的圓柱對稱性，從而限定本征模式的方向。

基于該思路，設計了折疊腔結(jié)構(gòu)實驗方案（圖1），利用凹面折疊鏡在子午面和弧矢面有效焦距各自隨入射角變化的特性引入像散。相較于使用柱面光學元件引入像散，折疊腔的像散程度可通過改變折疊角進行主動調(diào)節(jié)，靈活性更高。引入像散后，諧振腔的本征模被限定為沿兩個像散對稱軸方向（x和y方向）的HG模式，而傾斜HG模式不能自再現(xiàn)，也就消除了競爭，使得簡單的二維離軸泵浦能夠直接激發(fā)二維的HGm,n模式。

圖1 產(chǎn)生高階二維HG模式激光的離軸泵浦像散折疊腔激光器光路示意圖

實驗中通過微調(diào)泵浦耦合器所在的位移臺，精確調(diào)節(jié)泵浦光在x和y方向上相對諧振腔光軸的偏移量，成功實現(xiàn)了兩個模式序數(shù)均可靈活調(diào)控的二維HGm,n模式激光輸出（圖2）。

圖2 實驗中用CCD相機記錄的典型高階二維HG模式激光的光斑

實驗中模式階次隨泵浦光位置的變化規(guī)律與基于交疊積分計算得到理論預期一致。當878.6 nm泵浦光功率2 W時，1064 nm Nd:YVO4激光器在Δx=Δy=1.9 mm（~13.6倍基模光斑半徑）時實現(xiàn)了高達HG214,216的超高階輸出。HG214,216的閾值僅為1.74 W，斜效率為13.4%。這是實現(xiàn)超高階的二維HG模式光束，也是主動方法產(chǎn)生的高階模式激光（HGm,n模式階數(shù)N=m+n，LGp,l 模式階數(shù)N=2p+l，此前公開報道中主動方法產(chǎn)生的階模式激光為該課題組利用腔內(nèi)球差選模產(chǎn)生的LG0,355）。

結(jié)論與展望

該工作提供了一種非常簡便、低閾值且高效率地產(chǎn)生任意階HGm,n模式激光的方法。結(jié)合像散變換，還可以進一步從HGm,n模式得到LGp,l 模式，實現(xiàn)整個厄米-拉蓋爾-高斯空間內(nèi)激光模式的任意選擇調(diào)控。

實驗中還觀察到了橫縱模頻率簡并導致的幾何模式，可控的像散允許我們實現(xiàn)更為豐富的簡并狀態(tài)，進一步拓展復雜結(jié)構(gòu)光場的調(diào)控自由度。

參考文獻：中國光學期刊網(wǎng)

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