Under de senaste åren har optiska virvlar väckt stor uppmärksamhet inom avancerad lasertillverkning på grund av deras årliga intensitetsfördelning och orbitala vinkelmomentum.
Jämfört med den Gaussiska strålen med grundläggande tvärläge som ljuskälla för laserablation och tillverkning, kan virvelstrålen generera en jämnare ablativ yta, och det orbitala vinkelmomentet som bärs av virvelstrålen kan överföras till bearbetningsmaterialet för att tillverka spiralen mikro-nano struktur med justerbara handegenskaper.
Högeffekts virvelstrålar spelar en viktig roll för att förbättra effektiviteten av lasertillverkning och avslöja lagen om ljus-materia-interaktion under extrema förhållanden. Hur man utforskar en stabil och pålitlig metod för att generera virvelljus med hög effekt har blivit ett hett forskningsämne inom relaterade områden.
För närvarande är det svårt att generera virvelljus med hög effekt med hög strålkvalitet genom att använda omvandlingsmetoden för extern kavitetsläge på grund av begränsningarna för fasanordningens funktionsvåglängdsband, tröskelvärde för låg effektskada och enhetsdefekten. En virvelstråle som genereras direkt i kaviteten har fördelarna med god transmissionsstabilitet och hög strålkvalitet.
För närvarande är virvelljus som genereras med intrakavitetsmetoden huvudsakligen baserat på helledarlaser och fiberlaser. På grund av den termiska effekten och låga skadetröskeln är uteffekten från den genererade virvelstrålen mestadels i storleksordningen watt med den högsta effekten upp till ~30W. Det kräver att man utvecklar en ny metod för direkt generering av virvelstrålarna inom kaviteten med den höga uteffekten.
Tunn skivlaser visar stora fördelar när det gäller att generera högeffektlaser på grund av dess speciella struktur med stor pumppunktsyta och hög värmeavledningseffektivitet. Kombinationen av tunnskivateknologi och generering av virvelljus ger en ny metod för att utveckla virvellaserkällan med hög prestanda.
I en artikel publicerad i Light:Advanced Manufacturing , ett team av forskare, ledda av professor Jinwei Zhang från School of Optical and Electronic Information och Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology, Kina och medarbetare, har byggt en tunn skivoscillator för att generera optisk virvel med hög effekt stråle baserad på tvärläge konkurrens och kontroll.
Genom att ändra storleken på ljusfläcken i kaviteten, svänger högordnings transversell mod först på grund av den låga förstärkningströskeln och blir dominant i kaviteten, vilket undertrycker svängningen i grundmoden. Den experimentella apparaten kan delas in i två delar:den tunnskivade virveloscillatorn som används för att generera virvelljus med hög uteffekt, och Mach-Zender-interferometern som används för att detektera spiralfasegenskaperna.
Genom att ändra läget för det stabila området av resonatorn kan storleken på laserfläcken i grundläget på skivan justeras. I detta fall kan förstärkningen för varje orderläge styras.
I experimentet styrdes första ordningens Laguerre Gaussian (LG)-läge för att ha den lägsta svängningströskeln, vilket dominerade svängningen i kaviteten och uppnådde en hög effekt. För att uppnå kontroll av kirala egenskaper tillsattes en belagd platta av smält kiseldioxid i kaviteten för att förstöra transmissionssymmetrin hos positivt och negativt kiralt virvelljus, vilket möjliggör kontroll av kirala egenskaper genom att justera plattans vinkel.
Effekten av fläckstorlek på lägeskonkurrens undersöktes genom att simulera förstärkningsintegralen för varje ordnings tvärgående läge under olika fläckstorlekar på skivan.
Simuleringsresultaten visar att en LG-stråle av en viss ordning kan ha en högre förstärkningsintegral än andra ordningens tvärgående lägen genom att ändra storleken på grundlägespunkten, och detta läge dominerar kaviteten.
I experimentet erhölls första ordningens virvelljus med den högsta effekten på 100 W och utmärkta strålkvaliteter, och spiralfasegenskaperna karakteriserades. Denna kraftfulla virvellaser kommer att förbättra effektiviteten och flexibiliteten för materialbearbetning och den banar väg för att utforska nytt parameterutrymme som är förknippat med strukturerat ljus.
Mer information: Hongshan Chen et al, 100-W Yb:YAG vortexlaseroscillator med tunn skiva, Light:Advanced Manufacturing (2023). DOI:10.37188/lam.2023.040
Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences
