通过JanusOPO生成颜色可调的高性能LG激光束

拉盖尔-高斯(LG)模式是一种光波，在光子穿过空间时可以承载光子的外部扭矩。它们在许多领域都很有用，从光通信到超分辨率成像。这些应用和其他应用的高级开发需要可靠且颜色​​可调的LG模式激光源，而这些激光源目前尚不存在。

光学参量振荡器(OPO)是一种可以产生波长可调激光束的器件，因此它已被用于实现颜色可调LG激光源——通常采用两种方式之一。一种方法是使用OPO外部的相位分量将常规光束更改为LG光束，但这会降低LG光束的纯度。另一种方法是利用高阶谐振器模式，以便它可以直接在源头创建LG，但这一直在进行中。

据AdvancedPhotonicsNexus报道，南京大学和中山大学的团队最近开发了一种双面“Janus”OPO方案，用于生成具有可调拓扑电荷的高效、高纯度宽带LG模式。Janus谐振器由两个腔镜、一个周期性极化的铌酸锂晶体、一个法拉第旋转器、一个四分之一波片和一个矢量涡旋波片组成。

不同于以往仅基于相位和偏振自再现的腔内模式转换方案，JanusOPO在谐振腔中引入了额外的成像系统，以辅助复杂波前的自再现，极大地提升了LGOPO的性能。

Janus腔模式由相交的两种不同模式组成。谐振器前端的模式为类高斯模式，可以更好地匹配高斯泵浦光以获得高增益。在输出端，腔模逐渐平滑演化为标准LG模，保证了高纯度LG光束输出，有效降低了衍射损耗。另一方面，成像过程中强度分布的重建主动形成高纯度LG模式，而不是被动模式滤波，这进一步降低了谐振器损耗。

据通讯作者、南京大学物理学教授张勇介绍，“JanusOPO通过成像设计大大降低了谐振器的损耗，提高了输出LG光束的效率和纯度。”输出的LG模波长在1.5～1.6μm之间可调，转换效率在15%以上，拓扑电荷可控高达4，模式纯度高达97%。

张指出，“OPO的效率可以通过双通泵浦光进一步提高，输出的LG光束的波段有可能扩展到可见光和紫外，为探索LG之间的相互作用提供了有力的工具光束和物质，用于潜在的应用，例如基于受激发射耗尽(STED)显微镜和精确旋转传感的超分辨率成像。”

中山大学物理学院副教授、报告第一作者魏敦钊表示，“JanusOPO方案可以进一步扩展到矢量光束输出和纠缠LG光子产生，这些方向将发挥重要作用在原子系综自旋轨道相互作用、激光制造和高纠缠量子源等领域发挥作用。”