通过Janus OPO生成颜色可调的高性能LG激光束

Janus光参量振荡器的示意图。资料来源：Advanced Photonics Nexus（2023）。doi: 10.1117/1.apn.2.3.036007

拉盖尔-高斯（LG）模式是一种光波，当光子在空间移动时，可以携带光子的外部扭矩。它们在许多领域都很有用，从光通信到超分辨率成像。这些和其他应用的先进发展需要可靠的、可调谐颜色的LG模式激光源，但目前还不存在。

光学参数振荡器（OPO）是一种可以产生波长可调的激光束的设备，所以它被用来实现颜色可调的LG激光源--一般来说，有两种方法之一。一种方法是利用OPO外的相位元件将普通光束转变为LG光束，但这使得LG光束的纯度降低。另一种方法是利用高阶谐振器模式，这样可以直接在源头创造LG，但这一直是一项正在进行的工作。

正如Advanced Photonics Nexus杂志所报道的那样，来自南京大学和中山大学的一个团队最近开发了一种两面的 "Janus "OPO方案，用于产生具有可调谐拓扑电荷的高效率、高纯度宽带LG模式。Janus谐振器由两个腔镜、一个周期性极化的铌酸锂晶体、一个法拉第旋转器、一个四分之一波板和一个矢量涡旋波板组成。

与以往仅基于相位和偏振的腔内模式转换方案不同，Janus OPO在谐振器中引入了一个额外的成像系统，以协助复杂波面的自我再现，这大大改善了LG OPO的性能。

Janus空腔模式是由两个不同的模式相交组成的。谐振器前端的模式是一个类似高斯的模式，可以更好地匹配高斯泵浦光以获得高增益。在输出端，腔体模式逐渐平滑地演变为标准的LG模式，这保证了高纯度的LG光束输出，并有效地减少了衍射损耗。另一方面，成像过程中强度分布的重建主动形成了高纯度的LG模式，而不是被动的模式过滤，这进一步降低了谐振器的损耗。

据通讯作者、南京大学物理学教授张勇说："Janus OPO通过成像设计很大程度上减少了谐振器的损耗，提高了输出LG光束的效率和纯度"。输出的LG模式的波长可在1.5μm和1.6μm之间调整，转换效率高于15%，可控的拓扑电荷高达4，模式纯度高达97%。

Zhang指出："通过双路泵浦光，OPO的效率可以进一步提高，输出的LG光束的波长带有可能扩展到可见光和紫外线，为探索LG光束和物质之间的相互作用提供了强有力的工具，可用于基于刺激发射耗尽（STED）显微镜的超分辨率成像和精确旋转感应等潜在应用。"

据中山大学物理学院副教授、报告第一作者魏敦照介绍："Janus OPO的方案可以进一步扩展到矢量光束输出和纠缠的LG光子生成，这些方向将在原子集合自旋-轨道相互作用、激光制造和更高纠缠量子源等领域发挥重要作用。"

参考信息

Dunzhao Wei et al, Generation of high-efficiency, high-purity, and broadband Laguerre-Gaussian modes from a Janus optical parametric oscillator, Advanced Photonics Nexus (2023). DOI: 10.1117/1.APN.2.3.036007