En los últimos años, los vórtices ópticos han atraído una gran atención en la fabricación avanzada de láser debido a su distribución de intensidad anual y su momento angular orbital.
En comparación con el haz gaussiano con modo transversal básico como fuente de luz para la ablación y fabricación con láser, el haz de vórtice puede generar una superficie ablativa más suave y el momento angular orbital transportado por el haz de vórtice se puede transferir al material de mecanizado para fabricar la espiral. Estructura micronano con propiedades de mano ajustables.
Los rayos de vórtice de alta potencia desempeñan un papel importante a la hora de mejorar la eficiencia de la fabricación de láser y revelar la ley de interacción luz-materia en condiciones extremas. Cómo explorar un método estable y confiable para generar luz de vórtice de alta potencia se ha convertido en un tema candente de investigación en campos relacionados.
Actualmente es difícil generar luz de vórtice de alta potencia con alta calidad de haz mediante el método de conversión de modo de cavidad externa debido a las limitaciones de la banda de longitud de onda operativa del dispositivo de fase, el umbral de daño de baja potencia y el defecto del dispositivo. Un haz de vórtice generado directamente en la cavidad tiene las ventajas de una buena estabilidad de transmisión y una alta calidad del haz.
En la actualidad, la luz de vórtice generada por el método intracavidad se basa principalmente en láser de estado sólido y láser de fibra. Debido al efecto térmico y al bajo umbral de daño, la potencia de salida del haz de vórtice generado es principalmente del orden de vatios, con la potencia más alta de hasta ~30W. Requiere desarrollar un nuevo método de generación directa intracavidad de haces de vórtice con alta potencia de salida.
El láser de disco delgado muestra una gran ventaja en la generación de láser de alta potencia debido a su estructura especial con una gran área de punto de bombeo y una alta eficiencia de disipación de calor. La combinación de tecnología de disco delgado y generación de luz de vórtice proporciona un nuevo método para desarrollar la fuente láser de vórtice con alto rendimiento.
En un artículo publicado en Light:Advanced Manufacturing , un equipo de científicos, dirigido por el profesor Jinwei Zhang de la Escuela de Información Óptica y Electrónica y el Laboratorio Nacional de Optoelectrónica de Wuhan, la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong, China y sus colaboradores, han construido un oscilador de disco delgado para generar un vórtice óptico de alta potencia. Haz basado en la competencia y el control del modo transversal.
Al cambiar el tamaño del punto de luz en la cavidad, el modo transversal de alto orden oscila primero debido al umbral de ganancia bajo y se vuelve dominante en la cavidad, suprimiendo la oscilación del modo fundamental. El aparato experimental se puede dividir en dos partes:el oscilador de vórtice de disco delgado que se utiliza para generar luz de vórtice con alta potencia de salida y el interferómetro Mach-Zender que se utiliza para detectar las características de la fase helicoidal.
Cambiando la posición de la región estable del resonador, se puede ajustar el tamaño del punto láser de modo fundamental en el disco. En este caso, se puede controlar la ganancia de cada modo de orden.
En el experimento, se controló el modo Laguerre Gaussiano (LG) de primer orden para tener el umbral de oscilación más bajo, que dominaba la oscilación en la cavidad y lograba una alta potencia de salida. Para lograr el control de las propiedades quirales, se añadió una placa recubierta de sílice fundida a la cavidad para destruir la simetría de transmisión de la luz del vórtice quiral positiva y negativa, lo que permite el control de las propiedades quirales ajustando el ángulo de la placa.
Se investigó el efecto del tamaño del punto en la competencia modal simulando la integral de ganancia de cada modo transversal de orden bajo diferentes tamaños de punto en el disco.
Los resultados de la simulación muestran que un haz LG de cierto orden puede tener una integral de ganancia mayor que otros modos transversales de orden al cambiar el tamaño del punto del modo fundamental, y este modo domina la cavidad.
En el experimento se obtuvo la luz de vórtice de primer orden con la mayor potencia de 100 W y excelentes cualidades del haz, y se caracterizaron las propiedades de la fase espiral. Este láser de vórtice de alta potencia mejorará la eficiencia y flexibilidad del procesamiento de materiales y allanará el camino para explorar nuevos espacios de parámetros asociados con la luz estructurada.
Más información: Hongshan Chen et al, oscilador láser de vórtice de disco fino Yb:YAG de 100 W, Luz:fabricación avanzada (2023). DOI:10.37188/lam.2023.040
Proporcionado por la Academia de Ciencias de China
