Ces dernières années, les vortex optiques ont attiré une grande attention dans la fabrication avancée de lasers en raison de leur distribution annuelle d'intensité et de leur moment cinétique orbital.
Comparé au faisceau gaussien avec mode transversal de base comme source de lumière pour l'ablation et la fabrication au laser, le faisceau vortex peut générer une surface ablative plus lisse, et le moment cinétique orbital transporté par le faisceau vortex peut être transféré au matériau d'usinage pour fabriquer la spirale. structure micro-nano avec propriétés de main réglables.
Les faisceaux vortex de haute puissance jouent un rôle important dans l’amélioration de l’efficacité de la fabrication des lasers et dans la révélation de la loi de l’interaction lumière-matière dans des conditions extrêmes. Comment explorer une méthode stable et fiable pour générer une lumière vortex de haute puissance est devenu un sujet de recherche brûlant dans des domaines connexes.
Actuellement, il est difficile de générer une lumière vortex de haute puissance avec une qualité de faisceau élevée en utilisant une méthode de conversion de mode de cavité externe en raison des limitations de la bande de longueur d'onde de fonctionnement du dispositif de phase, du faible seuil de dommage de puissance et du défaut du dispositif. Un faisceau vortex généré directement dans la cavité présente les avantages d'une bonne stabilité de transmission et d'une qualité de faisceau élevée.
À l'heure actuelle, la lumière vortex générée par la méthode intracavité est principalement basée sur le laser à semi-conducteurs et le laser à fibre. En raison de l'effet thermique et du faible seuil de dommage, la puissance de sortie du faisceau vortex généré est principalement de l'ordre du watt, la puissance la plus élevée allant jusqu'à ~ 30 W. Cela nécessite de développer une nouvelle méthode de génération directe intracavité de faisceaux vortex avec une puissance de sortie élevée.
Le laser à disque mince présente un grand avantage dans la génération d'un laser haute puissance en raison de sa structure spéciale avec une grande zone de pompage et une efficacité de dissipation thermique élevée. La combinaison de la technologie des disques minces et de la génération de lumière vortex fournit une nouvelle méthode pour développer la source laser vortex avec des performances élevées.
Dans un article publié dans Light :Advanced Manufacturing , une équipe de scientifiques, dirigée par le professeur Jinwei Zhang de l'École d'information optique et électronique et du Laboratoire national d'optoélectronique de Wuhan, Université des sciences et technologies de Huazhong, en Chine, et ses collègues, ont construit un oscillateur à disque mince pour générer un vortex optique de haute puissance. faisceau basé sur la compétition et le contrôle du mode transversal.
En modifiant la taille du point lumineux dans la cavité, le mode transverse d'ordre élevé oscille d'abord en raison du faible seuil de gain et devient dominant dans la cavité, supprimant l'oscillation du mode fondamental. L'appareil expérimental peut être divisé en deux parties :l'oscillateur vortex à disque mince qui est utilisé pour générer une lumière vortex avec une puissance de sortie élevée, et l'interféromètre Mach-Zender qui est utilisé pour détecter les caractéristiques de phase hélicoïdale.
En modifiant la position de la région stable du résonateur, la taille du point laser du mode fondamental sur le disque peut être ajustée. Dans ce cas, le gain de chaque mode de commande peut être contrôlé.
Dans l’expérience, le mode Laguerre Gaussien (LG) de premier ordre a été contrôlé pour avoir le seuil d’oscillation le plus bas, qui dominait l’oscillation dans la cavité et atteignait une puissance de sortie élevée. Afin de contrôler les propriétés chirales, une plaque de silice fondue recouverte a été ajoutée dans la cavité pour détruire la symétrie de transmission de la lumière du vortex chiral positif et négatif, permettant ainsi le contrôle des propriétés chirales en ajustant l'angle de la plaque.
L'effet de la taille du point sur la compétition de modes a été étudié en simulant l'intégrale de gain de chaque mode transversal d'ordre sous différentes tailles de point sur le disque.
Les résultats de la simulation montrent qu'un faisceau LG d'un certain ordre peut avoir une intégrale de gain plus élevée que les modes transversaux d'autres ordres en modifiant la taille du spot du mode fondamental, et que ce mode domine la cavité.
Dans l'expérience, la lumière vortex de premier ordre avec la puissance la plus élevée de 100 W et d'excellentes qualités de faisceau a été obtenue, et les propriétés de la phase spirale ont été caractérisées. Ce laser vortex haute puissance améliorera l'efficacité et la flexibilité du traitement des matériaux et ouvre la voie à l'exploration d'un nouvel espace de paramètres associé à la lumière structurée.
Plus d'informations : Hongshan Chen et al, oscillateur laser vortex à disque mince Yb:YAG 100 W, Lumière :fabrication avancée (2023). DOI :10.37188/lam.2023.040
Fourni par l'Académie chinoise des sciences
