文章导读
你是否了解，一束光里能藏着21种不同的“形态”？中国科大王安廷团队最近突破了光纤激光器的“高阶模式”难题，成功研发出一款能切换超十种高阶模式的新型激光器，为光通信、量子信息处理等领域打开全新可能。不同于传统依赖昂贵设备的方式，这项技术以低成本、高集成的方式实现了LP与OAM模式的高效激发与切换，大幅提升了光纤激光器的灵活性和实用性。更令人振奋的是，这种激光器还能扩展研究较少的径向高阶OAM模式，推动涡旋光束在更多尖端领域落地。想揭开未来光学科技的关键进展？这篇文章不可错过。
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中国科学技术大学王安廷团队提出了一种基于倾斜多模光纤布拉格光栅的高阶模式可切换光纤激光器，成功实现了超十种不同高阶模式的可切换发射。相关研究成果于7月6日以“Switchable high-order transverse mode fiber laser with over ten distinct modes”为题发表在光学领域知名期刊《ACS Photonics》上。
在光电子技术飞速发展的背景下，高阶模式如线偏振（LP）模式和轨道角动量（OAM）模式等正为光纤激光器注入全新活力。高阶模式凭借独特的相位、偏振和光强分布，已在粒子操纵、高分辨率显微成像、材料加工、光通信和光传感等领域展现出不可替代的价值。传统技术中，超高阶模式可切换光纤激光器通常依赖于空间光调制器，成本高昂且系统复杂。而传统光纤型模式转换器受限于自身结构的耦合特性和严格的制造工艺，往往只能激发一阶、二阶横向模式，难以突破“超高阶”瓶颈。此外，当前对高阶模式的研究多聚焦于具有不同拓扑荷数（角向指数）的OAM模式，对以多环形光场分布为特征的径向高阶OAM模式关注较少。值得注意的是，高阶模式的阶数与可切换性在提高系统和设备的性能方面发挥着至关重要的作用，特别是具有角向与径向双重变化特性的高阶模式，在大容量光通信、高灵敏度光传感以及量子信息处理等领域展现出独特优势。
图1：超十种高阶模式可切换光纤激光器。
研究团队创新性地将倾斜多模光纤布拉格光栅作为核心模式转换元件，显著提升了基模与高阶模式之间的耦合效率，成功突破了传统光纤型模式转换器激发高阶模式数目少的技术局限。实验证实，该光纤激光器可有效激发12种不同的LP模式；通过偏振控制能进一步获得21种不同的OAM模式，其拓扑荷数可以为0、±1、±2、±3、±4和±5，径向指数可以扩展为1、2和3；通过波长调谐可实现不同模式间的快速稳定切换。该技术摒弃了对昂贵空间光调制器的依赖，实现了集成化、低成本的高阶模式灵活调控，为高阶模式光纤激光器的实用化、产业化迈出了关键一步，也将助力径向高阶OAM模式的深入研究与表征，从而促进涡旋光束在光学和光子学广泛领域的进一步发展。
图2：(a)径向指数为1的OAM模式的光强分布及检测结果；(b)径向指数为2的OAM模式的光强分布及检测结果；(c)径向指数为3的OAM模式的光强分布及检测结果。
中国科学技术大学物理学院博士生桂磊为论文第一作者，王安廷为论文通讯作者。中国科学院安徽光学精密机械研究所桂华侨、上海理工大学詹其文为论文共同作者。本工作得到了国家自然科学基金委、科技部国家重点研发计划等项目支持。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acsphotonics.5c00939
（物理学院、科研部）
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