近日，华中科技大学光学与电子信息学院张金伟教授、闫力松副教授课题组与北京理工大学光电学院王庆副教授合作，报道了一种基于激光谐振腔内横模模式竞争的激光模式调控技术，由此搭建了一个基于Yb:YAG的碟片涡旋振荡器，产生了输出功率最高为100W的连续拉盖尔-高斯光束。论文分别从原理仿真计算以及实验方面验证了碟片激光器在产生高平均功率涡旋光方面的有效性和优越性。
该研究成果近日发表在Light: Advanced Manufacturing，题为“100-W Yb:YAG thin-disk vortex laser oscillator”。华中科技大学光学与电子信息学院博士生陈红山与北京理工大学王庆副教授为论文的共同第一作者，华中科技大学闫力松副教授与张金伟教授为论文的共同通讯作者。
近年来，光学涡旋因其环形的光强分布以及具有轨道角动量的特性在激光先进制造领域受到广泛关注。相比于使用基横模的高斯光束作为光源进行激光烧蚀与制造，涡旋光束能够产生更为光滑的烧蚀表面，并且其携带的轨道角动量能够传递到加工材料上以制造出手性可调的螺旋微纳结构。高功率的涡旋光束对于提升激光加工制造效率以及揭示极端条件下的光与物质相互作用规律等方面发挥着至关重要的作用。探究一种能够稳定可靠产生高功率高光束质量涡旋光的方法是目前相关领域的研究热点。
通过腔外的光学相位器件进行模式调控与转换以直接产生涡旋光的方法会受限于器件工作波段、较低的功率损伤阈值、低光束质量等缺陷，难以产生高光束质量、高功率的涡旋光。而直接在腔内产生的涡旋光束具有传输稳定性好、光束质量高等优势。目前腔内法产生的涡旋光主要基于块状固体激光器以及光纤激光器，受限于热效应以及损伤等问题，难以获得很高的输出功率。因此如何实现高平均功率涡旋光束的腔内直接产生，成为目前涡旋光源相关研究中的热点难题之一。碟片激光器由于其散热效率高、泵浦光斑面积大等特殊结构，在产生高功率激光方面具有显著优势，将碟片技术与涡旋光产生技术进行结合，是实现高功率涡旋激光产生的有效方法之一。
本工作的核心方法是将碟片激光振荡器技术与横模模式竞争与调控技术结合，通过改变腔内光斑大小，使作为高阶横模的涡旋光在腔内占据主导地位并振荡输出，并抑制基模的振荡。如图1所示，实验装置可分为碟片涡旋振荡器以及马赫-曾德尔干涉仪两个部分，前者用于产生高平均功率的涡旋光，后者用以检测其螺旋相位特性。通过改变谐振腔稳区位置以调节碟片增益介质上的激光光斑大小，从而调控各阶模式的增益，使得一阶涡旋光具有最低的振荡阈值，在腔内实现优先振荡并抑制其他横模模式。为实现对手性的调控，在腔内加入了一块角度可调的镀膜熔融石英片，以破坏正负手性涡旋光的传输对称性实现对手性的选择。
图1 (a) 碟片涡旋振荡器 (b) 马赫-曾德尔干涉仪
图2 各阶模式增益计算
研究人员通过对碟片上不同光斑大小下各阶横模模式增益积分进行仿真计算，探究光斑大小对于模式竞争的影响。如图2的仿真计算结果表明，通过改变基模光斑大小可以使得某一阶的拉盖尔高斯光束具有高于其他阶横模的增益积分，此时这种模式在腔内占据主导地位。实验中，通过调节谐振腔稳区位置以改变光斑大小，获得了最高功率100W、具有高光束质量的一阶涡旋光（图3），并通过干涉法验证了其螺旋相位特性（图4）。
本文报道了一种基于碟片振荡器的腔内横模模式竞争与调控技术，所搭建的碟片涡旋振荡器直接产生了最高功率超过100W的一阶手性可调连续涡旋光，为产生高功率高光束质量连续涡旋光提供了一种简便、紧凑的方法。该光源可以作为激光先进制造、光镊、光通信等研究领域的理想驱动光源。
Hongshan Chen, Qing Wang, Xin Liu, Heyan Liu, Xinhua Guo, Tingting Yang, Lisong Yan, Jinwei Zhang. 100-W Yb:YAG thin-disk vortex laser oscillator[J]. Light: Advanced Manufacturing 4, 40(2023).
