高效腔内级联几何相位调控的超高阶轨道角动量光纤激光器

本文报道了一种基于光纤-自由空间混合腔的轨道角动量（OAM）激光器创新设计，通过涡旋半波片（VHP）级联实现拓扑荷高达264的涡旋光束输出，斜率效率达24%。该研究突破了衍射元件分辨率限制与高阶模式发散难题，为高功率任意阶次涡旋激光器提供了可扩展解决方案，在量子探测、粒子操控等领域具有重要应用价值。

　　

Highlight

这项研究通过腔内级联几何相位调控，实现了拓扑荷高达264的矢量涡旋光束输出，斜率效率突破24%，为超高阶轨道角动量（OAM）激光器树立了新标杆。

Cavity arrangement and modeling

实验采用法布里-珀罗（FP）谐振腔结构，以976 nm激光二极管泵浦保偏掺镱光纤（PLMA-YDF-10/125）作为增益介质。通过将归一化频率V值控制在2.36（低于单模截止值2.405），确保基模运转的同时，利用涡旋半波片实现高阶模式转换。

Discussions

当前设计仍存在两个关键限制：模式转换效率未达100%，且高阶模式输出效率普遍低于基模。未来可从两方面优化——提升高阶涡旋光束相位调制精度（需解决高梯度相位分布制备难题），以及改进谐振腔对高阶模式的匹配度（通过动态调节腔长补偿模式发散）。

Conclusions

我们成功研制出基于腔内级联几何相位调控的高效超高阶矢量涡旋光纤激光器。涡旋波片作为纯相位调制元件，能有效规避振幅调制导致的能量损耗，而级联设计则克服了偏振奇点带来的能量损失问题。该技术为开发高功率任意阶次涡旋激光器提供了可扩展方案。