数字激光器的轨道角动量梳状模式需求

研究背景与意义

随着信息技术的日新月异，对高容量数据传输提出了愈加严苛的要求。光的轨道角动量(OAM)因其内在的无限维度，被认为是具备巨大潜力的信息载体，至关重要的是要实现可按需生成任意OAM光谱，尤其是像频率梳那样的OAM梳状模式。然而，当前技术下，实现在源头即能够自由切换的数字式OAM梳状激光器还面临挑战，尤其是实现在实时调控的可切换多OAM模式至关重要，且需求逐步升温。本研究正致力于开发能够在源头便捷而动态切换的数字式OAM梳状激光器，同时期望进一步推动高维技术的发展，特别是在高维OAM模式的基础研究与应用中寻找更多机会。

论文来源

本次研究由南京大学的国家固态微结构实验室和物理学院的任志成、樊丽、郑子默、刘志峰、楼艳超、黄双银、陈超、李永男、涂诚厚、丁建平、王希林和王辉田联合完成，于2024年5月7日接收，并于同年7月10日在《Optica》发表。

研究方法与流程

研究团队提出了一个关键性的设计思想，即将退化腔嵌入到稳定环形腔，通过相位自由度的控制而非其他代理来创建灵活且动态可切换的数字式OAM梳状激光器。他们采用了嵌套环形腔的构建方式，利用反射式相位仅空间光调制器加载的共轭双折叠对称多螺旋相位数字全息镜。在整个研究流程中，通过精确设计的腔体配置和高效而经水冷的SLM模块，达到了更高的输出功率并防止了SLM的损坏。

研究结果

在实验中，研究团队首先在被动配置下特征化了多螺旋相位全息图产生的OAM频谱。结果表明，所设计的OAM梳状模式能够生成具有多达64个齿的梳状结构。随后，通过探究在源头生成单一OAM模式的可行性，验证了所提出的数字环形激光器能实现具有高纯度、高达|128|阶的单一OAM模式。此外，研究还通过设计特定的初始相位，成功实现了具有任意分布的OAM谱，这对于高维度应用而言至关重要。

结论与应用价值

研究成功实现了源头处动态按需切换的数字式OAM梳状激光器，这在积极控制高容量OAM资源及其多路复用方面取得了重要进展。其提供的解决方案不仅有助于新型激光技术的发展，也为线性与非线性产生多OAM模式提供了一个工具箱。

研究亮点

本项研究的亮点在于：

• 设计了一种创新的参数环形腔结构可用于直接从激光器输出多个OAM模式。
• 实现了多达128阶的单一OAM模式及多达64个齿的OAM梳状模式。
• 证明了该设计策略能允许任意编码OAM光谱的相对强度。
• 展开了关于数字激光器在创建多模式OAM梳状结构方面的深入尝试。
• 为未来在基础研究和应用维度提供新的发展机会。