南京大学物理学院王慧田、汪喜林研究组在轨道角动量（Orbital Angular Momentum，简称OAM）激光器研制中取得重要进展。提出了含一对共轭多螺旋相位全息镜和嵌入简并腔的嵌套环形腔结构设计策略，既规避了不同OAM模式间的随机竞争，又解决了OAM模式数量和手性的控制问题，成功实现了多模OAM梳数字激光器；进一步演示了腔内增强的OAM梳二次谐波产生。该腔内主动调控空间结构激光的策略，不仅有助于新激光技术的开发、促进结构光更广泛的应用，而且为操控腔增强结构光与物质的相互作用提供了新的契机。相关成果以“On-demand orbital angular momentum comb from a digital laser”为题发表在Optica上 [Optica 11, 951-961 (2024)]。
相位结构涡旋光携带的光子OAM因其固有的正交性和无限维度，已成为一种重要的数据存储和处理资源，为新兴高维信息技术的发展提供了有前景的解决方案。OAM在光学显微镜、安全加密、微操作、光通信和量子信息等经典和量子领域发挥着日益重要作用。为充分利用光子OAM，灵活地控制和生成OAM模式变得尤为重要，为此已发展多种被动和主动方案。被动方案，即指无增益介质的无源方案，利用专门设计的光学元件将高斯模式转换为OAM模式，如计算全息图、螺旋相位板、液晶q-板、亚波长光栅、超表面、光纤光栅、微纳结构等。主动方案，即指在源头上直接从OAM激光器输出OAM模式，其核心单元是OAM激光器，可基于不同的机制或配置来实现，如光纤激光器、定制谐振腔、拓扑结构、光子晶体和微环腔等。尽管小型化的主动OAM器件总是被期待，但是体OAM激光器也受到越来越多的重视，成为国际上的焦点。体OAM激光器具有模态好、纯度高等优点，尤为重要的是，可为非专业用户直接提供所需OAM激光。然而，按需生成任意OAM谱（尤如类似于频率梳的OAM梳）仍然是一个挑战；特别是按需OAM梳和任意多OAM模式尚未在源头实现。
为此，研究人员首先提出并证实了一种以期最小复杂性实现动态、可控切换的按需数字多模OAM梳的策略：具有二重对称性的多涡旋相位图设计方案（如图1所示）。在该设计中，仅需调控相位图中每个扇形涡旋的初始相位，即可按需生成包含OAM梳在内的任意OAM谱。基于上述设计策略，利用空间光调制器（SLM）等纯相位调制元件即可便捷地实现从基模高斯光到携带多模OAM光的高效转换。该纯相位调制方式的高效性为实现多模OAM（尤其是OAM梳）数字激光器奠定了基础。
图1 基于具有二重对称性的多涡旋相位图设计原理
其次，研究人员提出了一种新颖的嵌套环形腔结构，如图2(a)所示：在该“8”字环形腔中，有一对加载共轭多涡旋相位图的SLM和一个嵌入的4f系统构成的简并腔；其中虚线框所示的部分可以等效为一个腔镜M12，这样“8”字形的环形腔简化为一个由M12、M3和M4构成的稳定三镜环形腔，如图2(b)所示。一个稳定谐振腔通常将以高斯模式振荡，因此在M4-M1路径中振荡的高斯模式由SLM1被转化为携带有预设相位的结构激光模式，然后经4f系统成像在携带共轭预设相位的SLM2上，最后在M2-M3路径中被再次恢复到高斯模式。由于嵌入的简并腔可以支持任意相位编码模式，突破了常规稳定环形腔的横模限制；另一方面， 在“8”字环形腔的其它路径上仍然以基模高斯振荡，相比于高阶模式激光，具有很高的稳定性。当在简并腔中插入一个偏振分束器，便可从腔中提取预设的结构激光模式输出。这一新颖激光器设计，既克服了简并腔空间相干性较差的问题，又解决了非简并腔模式竞争的问题，结合可编程的空间光调制器，实现了灵活、高相干性、可任意相位编码的空间结构光数字激光器。如图3所示，研究人员利用该激光器输出了高达64梳齿数的OAM梳激光。
图2 “8”字形数字激光器设计图
图3 数字激光输出的OAM梳激光及实验测得的OAM谱分布
与腔外相比，数字激光器支持的腔内结构光提供了数量级增强的能量密度，为开展腔增强结构光与物质的相互作用带来了新的契机。以二次谐波产生为例，如图4所示，研究人员在腔内放置LBO晶体，成功实现了单涡旋激光及OAM梳的腔增强倍频；在相同的泵浦条件下，相比于腔外倍频，非线性转换效率提升了340余倍。激光谐振腔增强的空间结构光非线性过程未来有望在不易直接相位调控的波段，用于空间结构光的生成。
动态按需OAM梳状数字激光器的实现在主动控制高容量OAM资源方面取得了重要进展。该研究为高维纠缠和通信等新兴高维技术的发展提供了一种有前景的解决方案，也为开展空间结构光与各种物质的腔增强相互作用研究提供了支撑。
图4 腔增强的涡旋光及轨道角动量梳倍频
南京大学物理学院特任副研究员任志成和扬州大学樊莉教授为论文共同第一作者，南京大学物理学院王慧田教授和汪喜林教授为共同通讯作者。上述研究工作得到了固体微结构物理国家重点实验室和南京微结构协同创新中心的支持，得到了国家重点研发计划、江苏省自然科学基金、国家自然科学基金、江苏省“双创人才”和广东省重点领域研发计划项目等的资助。
论文链接：
https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-11-7-951&id=553194