Negli ultimi anni, i vortici ottici hanno attirato grande attenzione nella produzione avanzata di laser a causa della loro distribuzione annuale dell'intensità e del momento angolare orbitale.
Rispetto al fascio gaussiano con modalità trasversale di base come sorgente luminosa per l'ablazione laser e la fabbricazione, il fascio a vortice può generare una superficie ablativa più liscia e il momento angolare orbitale trasportato dal fascio a vortice può essere trasferito al materiale di lavorazione per fabbricare la spirale struttura micro-nano con proprietà della mano regolabili.
I raggi a vortice ad alta potenza svolgono un ruolo importante nel migliorare l’efficienza della produzione laser e nel rivelare la legge dell’interazione luce-materia in condizioni estreme. Come esplorare un metodo stabile e affidabile per generare luce a vortice ad alta potenza è diventato un argomento caldo di ricerca in campi correlati.
Attualmente è difficile generare luce a vortice ad alta potenza con un fascio di qualità elevata utilizzando il metodo di conversione in modalità cavità esterna a causa delle limitazioni della banda di lunghezza d'onda operativa del dispositivo di fase, della soglia di danno a bassa potenza e del difetto del dispositivo. Un raggio a vortice generato direttamente nella cavità presenta i vantaggi di una buona stabilità di trasmissione e di una qualità del raggio abbagliante.
Attualmente, la luce a vortice generata dal metodo intracavità si basa principalmente sul laser a stato solido e sul laser a fibra. A causa dell'effetto termico e della bassa soglia di danno, la potenza di uscita del raggio di vortice generato è per lo più nell'ordine dei watt con la potenza massima fino a ~30 W. È necessario sviluppare un nuovo metodo di generazione diretta intracavità dei fasci di vortice con elevata potenza di uscita.
Il laser a disco sottile mostra un grande vantaggio nella generazione di laser ad alta potenza grazie alla sua struttura speciale con un'ampia area del punto di pompaggio e un'elevata efficienza di dissipazione del calore. La combinazione della tecnologia del disco sottile e della generazione di luce a vortice fornisce un nuovo metodo per sviluppare la sorgente laser a vortice con prestazioni elevate.
In un articolo pubblicato su Light:Advanced Manufacturing , un team di scienziati, guidato dal professor Jinwei Zhang della Scuola di informazione ottica ed elettronica e dal Laboratorio nazionale di optoelettronica di Wuhan, Università di scienza e tecnologia di Huazhong, Cina e colleghi, hanno costruito un oscillatore a disco sottile per generare vortice ottico ad alta potenza fascio basato sulla competizione e sul controllo della modalità trasversale.
Modificando la dimensione del punto luminoso nella cavità, la modalità trasversale di ordine elevato oscilla prima a causa della soglia di guadagno basso e diventa dominante nella cavità, sopprimendo l'oscillazione della modalità fondamentale. L'apparato sperimentale può essere diviso in due parti:l'oscillatore a vortice a disco sottile che viene utilizzato per generare luce a vortice con elevata potenza di uscita e l'interferometro Mach-Zender che viene utilizzato per rilevare le caratteristiche della fase elicoidale.
Modificando la posizione della regione stabile del risonatore, è possibile regolare la dimensione dello spot laser della modalità fondamentale sul disco. In questo caso, è possibile controllare il guadagno di ciascuna modalità di ordine.
Nell'esperimento, la modalità gaussiana di Laguerre (LG) del primo ordine è stata controllata per avere la soglia di oscillazione più bassa, che dominava l'oscillazione nella cavità e raggiungeva un'elevata potenza in uscita. Per ottenere il controllo delle proprietà chirali, nella cavità è stata aggiunta una piastra rivestita di silice fusa per distruggere la simmetria di trasmissione della luce del vortice chirale positivo e negativo, consentendo il controllo delle proprietà chirali regolando l'angolo della piastra.
L'effetto della dimensione dello spot sulla competizione tra modalità è stato studiato simulando l'integrale del guadagno di ciascuna modalità trasversale di ordine con diverse dimensioni dello spot sul disco.
I risultati della simulazione mostrano che un fascio LG di un certo ordine può avere un integrale di guadagno più elevato rispetto ad altri modi trasversali di ordine modificando la dimensione dello spot del modo fondamentale, e questo modo domina la cavità.
Nell'esperimento è stata ottenuta la luce a vortice del primo ordine con la massima potenza di 100 W ed eccellenti qualità del fascio e sono state caratterizzate le proprietà della fase a spirale. Questo laser a vortice ad alta potenza migliorerà l'efficienza e la flessibilità della lavorazione dei materiali e aprirà la strada all'esplorazione di nuovi parametri associati alla luce strutturata.
Ulteriori informazioni: Hongshan Chen et al, oscillatore laser a vortice a disco sottile da 100 W Yb:YAG, Luce:produzione avanzata (2023). DOI:10.37188/lam.2023.040
Fornito dall'Accademia cinese delle scienze
