中國科學技術大學王安廷團隊提出了一種基于傾斜多模光纖布拉格光柵的高階模式可切換光纖激光器，成功實現了超十種不同高階模式的可切換發射。相關研究成果于7月6日以“Switchable high-order transverse mode fiber laser with over ten distinct modes”為題發表在光學領域知名期刊《ACS Photonics》上。
圖1.超十種高階模式可切換光纖激光器
在光電子技術飛速發展的背景下，高階模式如線偏振（LP）模式和軌道角動量（OAM）模式等正為光纖激光器注入全新活力。高階模式憑借獨特的相位、偏振和光強分布，已在粒子操縱、高分辨率顯微成像、材料加工、光通信和光傳感等領域展現出不可替代的價值。傳統技術中，超高階模式可切換光纖激光器通常依賴于空間光調制器，成本高昂且系統復雜。而傳統光纖型模式轉換器受限于自身結構的耦合特性和嚴格的制造工藝，往往只能激發一階、二階橫向模式，難以突破“超高階”瓶頸。此外，當前對高階模式的研究多聚焦于具有不同拓撲荷數（角向指數）的OAM模式，對以多環形光場分布為特征的徑向高階OAM模式關注較少。值得注意的是，高階模式的階數與可切換性在提高系統和設備的性能方面發揮著至關重要的作用，特別是具有角向與徑向雙重變化特性的高階模式，在大容量光通信、高靈敏度光傳感以及量子信息處理等領域展現出獨特優勢。
研究團隊創新性地將傾斜多模光纖布拉格光柵作為核心模式轉換元件，顯著提升了基模與高階模式之間的耦合效率，成功突破了傳統光纖型模式轉換器激發高階模式數目少的技術局限。實驗證實，該光纖激光器可有效激發12種不同的LP模式；通過偏振控制能進一步獲得21種不同的OAM模式，其拓撲荷數可以為0、±1、±2、±3、±4和±5，徑向指數可以擴展為1、2和3；通過波長調諧可實現不同模式間的快速穩定切換。該技術摒棄了對昂貴空間光調制器的依賴，實現了集成化、低成本的高階模式靈活調控，為高階模式光纖激光器的實用化、產業化邁出了關鍵一步，也將助力徑向高階OAM模式的深入研究與表征，從而促進渦旋光束在光學和光子學廣泛領域的進一步發展。
圖2.（a）徑向指數為1的OAM模式的光強分布及檢測結果；（b）徑向指數為2的OAM模式的光強分布及檢測結果；（c）徑向指數為3的OAM模式的光強分布及檢測結果。
中國科學技術大學物理學院博士生桂磊為論文第一作者，王安廷為論文通訊作者。中國科學院安徽光學精密機械研究所桂華僑、上海理工大學詹其文為論文共同作者。本工作得到了國家自然科學基金委、科技部國家重點研發計劃等項目支持。
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