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2025-12-19 17:59:32
封面展示了基于离轴泵浦产生高阶二维厄米-高斯（HG）模式激光的过程。利用像差对谐振腔对称性和本征模式的限定作用，基于简单高效的离轴泵浦方法实现了两个模式序数均灵活可控的二维HG模式激光输出，使激光模式的选择调控范围能够覆盖整个厄米-拉盖尔-高斯空间。
研究背景 高阶HG模式结构光场在量子光学、引力波探测、空间光通信等前沿领域具有重要应用，离轴泵浦是产生高阶HG模式结构光场最为直接的方法。当泵浦光偏离谐振腔光轴时，会优先激发与泵浦光空间交叠最大的高阶HG模式。这种简单高效的选择性激发方法不仅能产生超过100阶的HG模式，还可支持数十瓦的高功率输出。
然而，现有离轴泵浦HG模式激光的研究主要局限于一维模式——仅能通过改变泵浦光的位置调控两个模式序数中的一个（HGm,0或HG0,n）。即使在两个正交方向同时引入泵浦光离轴偏移，也只能激发倾斜的一维HG模式，而非二维HGm,n模式。
为实现二维HGm,n模式激光输出，研究人员通常采用多路泵浦光或空间调制泵浦光对增益区域进行精确控制，或借助腔内柱透镜变换以及将谐振腔调偏等方法。但这些方案的实现过程较为复杂，也难以获得很高阶模式的激光输出。目前有源方法和无源方法产生的最高阶二维HGm,n模式分别是基于数字微镜阵列调制泵浦光实现的HG27,25模式，以及基于空间光调制器产生的HG25,25模式，转换效率均低于1%。
二维离轴泵浦难以产生二维HGm,n模式的主要原因在于倾斜一维HG模式的竞争。当谐振腔具有圆柱对称性时，沿任意方向的倾斜一维HG模式都是谐振腔的本征模，二维的离轴泵浦等价于坐标变换后的一维离轴泵浦。由于一维HG模式的能量分布相比二维HGm,n模式更为集中，具有更高的泵浦交叠，因此会先于二维HGm,n起振。
创新工作 针对上述问题，天津大学姚建铨院士、史伟教授课题组提出通过离轴泵浦产生二维HG模式。关键在于通过引入像散破坏谐振腔的圆柱对称性，从而限定本征模式的方向。
基于该思路，设计了折叠腔结构实验方案（图1），利用凹面折叠镜在子午面和弧矢面有效焦距各自随入射角变化的特性引入像散。相较于使用柱面光学元件引入像散，折叠腔的像散程度可通过改变折叠角进行主动调节，灵活性更高。引入像散后，谐振腔的本征模被限定为沿两个像散对称轴方向（x和y方向）的HG模式，而倾斜HG模式不能自再现，也就消除了竞争，使得简单的二维离轴泵浦能够直接激发二维的HGm,n模式。
图1 产生高阶二维HG模式激光的离轴泵浦像散折叠腔激光器光路示意图
实验中通过微调泵浦耦合器所在的位移台，精确调节泵浦光在x和y方向上相对谐振腔光轴的偏移量，成功实现了两个模式序数均可灵活调控的二维HGm,n模式激光输出（图2）。
图2 实验中用CCD相机记录的典型高阶二维HG模式激光的光斑
实验中模式阶次随泵浦光位置的变化规律与基于交叠积分计算得到理论预期一致。当878.6 nm泵浦光功率2 W时，1064 nm Nd:YVO4激光器在Δx=Δy=1.9 mm（~13.6倍基模光斑半径）时实现了最高达HG214,216的超高阶输出。HG214,216的阈值仅为1.74 W，斜效率为13.4%。这是首次实现超高阶的二维HG模式光束，也是主动方法产生的最高阶模式激光（HGm,n模式阶数N=m+n，LGp,l 模式阶数N=2p+l，此前公开报道中主动方法产生的最高阶模式激光为该课题组利用腔内球差选模产生的LG0,355）。
结论与展望 该工作提供了一种非常简便、低阈值且高效率地产生任意阶HGm,n模式激光的方法。结合像散变换，还可以进一步从HGm,n模式得到LGp,l 模式，实现整个厄米-拉盖尔-高斯空间内激光模式的任意选择调控。 实验中还观察到了横纵模频率简并导致的几何模式，可控的像散允许我们实现更为丰富的简并状态，进一步拓展复杂结构光场的调控自由度。
参考文献： 中国光学期刊网
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