Nos últimos anos, os vórtices ópticos têm atraído muita atenção na fabricação avançada de laser devido à sua distribuição anual de intensidade e momento angular orbital.



Comparado com o feixe gaussiano com modo transversal básico como fonte de luz para ablação e fabricação a laser, o feixe de vórtice pode gerar uma superfície ablativa mais lisa e o momento angular orbital transportado pelo feixe de vórtice pode ser transferido para o material de usinagem para fabricar a espiral estrutura micro-nano com propriedades manuais ajustáveis.

Feixes de vórtice de alta potência desempenham um papel importante na melhoria da eficiência da fabricação de laser e na revelação da lei da interação luz-matéria sob condições extremas. Como explorar um método estável e confiável para gerar luz de vórtice de alta potência tornou-se um tema importante de pesquisa em áreas relacionadas.

Atualmente é difícil gerar luz de vórtice de alta potência com alta qualidade de feixe usando o método de conversão de modo de cavidade externa devido às limitações da faixa de comprimento de onda operacional do dispositivo de fase, ao limite de dano de baixa potência e ao defeito do dispositivo. Um feixe de vórtice gerado diretamente na cavidade tem as vantagens de boa estabilidade de transmissão e alta qualidade de feixe.

Atualmente, a luz de vórtice gerada pelo método intracavitário é baseada principalmente em laser de estado sólido e laser de fibra. Devido ao efeito térmico e ao baixo limite de dano, a potência de saída do feixe de vórtice gerado é principalmente da ordem de watts com a potência mais alta até ~30W. É necessário desenvolver um novo método de geração direta intracavitária dos feixes de vórtice com alta potência de saída.

O laser de disco fino apresenta grande vantagem na geração de laser de alta potência devido à sua estrutura especial com grande área de bombeamento e alta eficiência de dissipação de calor. A combinação da tecnologia de disco fino e geração de luz vórtice fornece um novo método para desenvolver a fonte de laser vórtice com alto desempenho.

Em artigo publicado em Light:Advanced Manufacturing , uma equipe de cientistas, liderada pelo professor Jinwei Zhang da Escola de Informação Óptica e Eletrônica e do Laboratório Nacional de Optoeletrônica de Wuhan, Universidade Huazhong de Ciência e Tecnologia, China e colegas de trabalho, construiu um oscilador de disco fino para gerar vórtice óptico de alta potência feixe baseado na competição e controle do modo transversal.

Ao alterar o tamanho do ponto de luz na cavidade, o modo transversal de alta ordem oscila primeiro devido ao baixo limiar de ganho e torna-se dominante na cavidade, suprimindo a oscilação do modo fundamental. O aparato experimental pode ser dividido em duas partes:o oscilador de vórtice de disco fino que é usado para gerar luz de vórtice com alta potência de saída, e o interferômetro Mach-Zender que é usado para detectar as características da fase helicoidal.

Ao alterar a posição da região estável do ressonador, o tamanho do ponto laser do modo fundamental no disco pode ser ajustado. Neste caso, o ganho de cada modo de pedido pode ser controlado.

No experimento, o modo Laguerre Gaussiano (LG) de primeira ordem foi controlado para ter o limiar de oscilação mais baixo, que dominou a oscilação na cavidade e alcançou uma alta potência. Para conseguir o controle das propriedades quirais, uma placa de sílica fundida revestida foi adicionada à cavidade para destruir a simetria de transmissão da luz do vórtice quiral positiva e negativa, permitindo o controle das propriedades quirais ajustando o ângulo da placa.

O efeito do tamanho do ponto na competição modal foi investigado simulando a integral de ganho de cada modo transversal de ordem sob diferentes tamanhos de ponto no disco.

Os resultados da simulação mostram que um feixe LG de uma determinada ordem pode ter uma integral de ganho maior do que outros modos transversais de ordem, alterando o tamanho do ponto do modo fundamental, e este modo domina a cavidade.

No experimento, foi obtida a luz de vórtice de primeira ordem com maior potência de 100 W e excelentes qualidades de feixe, e as propriedades da fase espiral foram caracterizadas. Este laser vórtice de alta potência aumentará a eficiência e flexibilidade do processamento de materiais e abrirá caminho para a exploração de novos espaços de parâmetros associados à luz estruturada.

Mais informações: Hongshan Chen et al, oscilador laser vórtice de disco fino Yb:YAG de 100 W, Light:Advanced Manufacturing (2023). DOI:10.37188/lam.2023.040
Fornecido pela Academia Chinesa de Ciências