Свободная полость Фабри-Перо

Недавно компания Nature Communications опубликовала знаковую исследовательскую работу в области фотоники. Исследовательская группа из Колледжа оптики и фотоники CREOL Университета Центральной Флориды и других учреждений новаторски предложила и экспериментально реализовала безрезонансный резонатор Фабри-Перо (FP).

Используя внутрирезонаторную голографическую фазовую маску для управления орбитальным угловым моментом (ОУМ) световых лучей, в исследовании достигается неограниченное постепенное повышение порядка мод Лагерра – Гаусса (ЛГ). Этот подход фундаментально нарушает дискретную резонансную характеристику традиционных оптических резонаторов, создавая новый оптический резонатор, который практически невосприимчив к изменениям длины резонатора. Это открывает совершенно новые возможности для высокостабильного оптического зондирования, структурированных световых лазеров и исследований неэрмитовой фотоники.

1. Предыстория исследований и существующие проблемы Традиционный резонансный резонатор Фабри-Перо (FP) является фундаментальным устройством в лазерных технологиях, прецизионном оптическом зондировании, квантовой оптике и обнаружении фотонов. Однако он обладает присущими и неизбежными ограничениями:

1. Он генерирует резонансные пики только на нескольких определенных длинах волн, что приводит к узкой рабочей полосе пропускания.

2. Он чрезвычайно чувствителен к изменениям длины полости; Вибрация и колебания температуры вызывают резонансный дрейф длины волны, ухудшая точность измерения и стабильность лазера.

Предыдущие попытки улучшить характеристики с помощью дисперсионной техники и внутрирезонаторного формирования оптического поля не смогли фундаментально устранить зависимость от длины резонатора и дискретный резонанс, что значительно ограничивает практическое применение.2. Основной инновационный дизайн и принцип работы. Это исследование отходит от традиционного пути модификации резонаторов посредством регулирования дисперсии. Вместо этого он инновационно начинается с манипулирования оптическим полем в пространственной моде и фундаментально устраняет резонанс физического механизма.

Исследовательская группа интегрировала голографическую фазовую маску (HPM) внутри компактного плоского резонатора FP в качестве основного элемента для преобразования мод. Он отказывается от обычно используемых мод Эрмита – Гаусса (HG) и принимает в качестве основы распространения моды Лагерра – Гаусса (LG), несущих орбитальный угловой момент (OAM).

Моды LG более высокого порядка, генерируемые в ходе эволюции, обладают присущей им ортогональностью, которая нарушает условия когерентной интерференции нескольких внутрирезонаторных пучков. Дискретные резонансные пики обычных резонаторов полностью подавляются, что позволяет резонатору достичь совершенно плоского, безрезонансного широкополосного спектрального отклика.

Ключевые различия между двумя режимами:

1. Режим HG: один компонент может переключаться только между двумя фиксированными режимами, неспособный обеспечить непрерывное увеличение порядка, поэтому резонанс невозможно устранить.

2. Режим LG-OAM: непрерывная эскалация всех модальных заказов может быть реализована только с помощью одной фазовой маски, имеющей простую структуру и легкую интеграцию.

3. Результаты эксперимента и основные моменты. Команда изготовила голографическую фазовую маску с использованием фототерморефрактивного стекла и реализовала широкополосное преобразование мод с помощью объемных решеток Брэгга. Средняя эффективность преобразования мод LG превышает 87,5% при низких фазовых искажениях, что обеспечивает ортогональное распространение мод высокого порядка.

Экспериментальное сравнение показывает, что традиционные резонаторы FP демонстрируют дискретные резонансные пики, а их спектры значительно дрейфуют при любом изменении длины резонатора. Напротив, новый безрезонансный резонатор полностью устраняет резонансные пики, обеспечивая плоский спектральный отклик, соответствующий входному спектру. Он сохраняет стабильную работу даже при изменении длины резонатора в пределах 350 %, демонстрируя превосходную устойчивость к внешним возмущениям. При инжекции гауссовского света можно возбуждать моды LG вплоть до 19-го порядка без возникновения резонанса любого порядка, что полностью подтверждает эффективность безрезонансного механизма.