Die Erweiterung von Laserstrahlstrukturen verspricht neue Laseranwendungen. Die Erforschung, wie sich Balkenstrukturen während nichtlinearer Frequenzumwandlungsprozesse verändern, hat in den letzten Jahren zunehmendes Interesse auf sich gezogen. Die nichtlineare Konversion ist ein ausgezeichneter Weg für die Erzeugung strukturierter Strahlen und stellt ein wachsendes, hybrides Gebiet für Forscher in der nichtlinearen Optik und Lasertechnologie sowie dem aufstrebenden Gebiet der Lichtfeldregulierungstechnologie dar.
Für die Erzeugung eines strukturierten Strahls und die nichtlineare Frequenzumwandlung haben Forscher sowohl die Oszillation innerhalb des Hohlraums als auch die räumliche Modulation des externen Hohlraums in Betracht gezogen. Um flexible Ausgänge zu erreichen, können räumliche Lichtmodulatoren verwendet werden, um strukturierte Strahlen sowohl innerhalb als auch außerhalb des Laserresonators zu erhalten. Dies ist jedoch eine indirekte, ineffiziente Methode. Die nichtlineare Frequenzerzeugung im Resonator von strukturierten Strahlen bietet eine direkte, effiziente Methode, die bis vor kurzem nur selten untersucht wurde.
Innerhalb einer Laserkavität ermöglicht ein als „Transverse Mode Locking“ (TML) bekannter Effekt die direkte Erzeugung der Wirbelstrahlen oder optischen Wirbel aus einer Laserkavität. Es ist bekannt, dass sowohl Festkörper-Mikrochiplaser als auch VCSELs ziemlich ähnliche Ausgaben von TML-Strahlmustern unter Pumpbedingungen mit großer Fresnel-Zahl erzeugen können. Die durch den TML-Effekt gebildeten komplexen Quermuster, die üblicherweise aus verschiedenen Grundmoden mit unterschiedlichen Gewichtungskoeffizienten und unterschiedlichen Sperrphasen bestehen, sorgen für reichlich räumliche Informationen in Grundfrequenzmoden. Die nichtlineare Frequenzumwandlung dieser direkt erzeugten TML-Strahlen ist von großem Interesse, aber noch nicht gut untersucht.
Wie in berichtet Fortgeschrittene Photonik, untersuchten Forscher des Beijing Institute of Technology, der Tsinghua University und der Arizona State University kürzlich die Intracavity Second Harmonic Generation (SHG) verschiedener passiv gütegeschalteter Laserstrahlen in TML-Zuständen. Sie analysierten das Transformations- und Ausbreitungsprinzip des elektrischen Felds des SHG-Modus des TML-Modus und prognostizierten präzise die komplexen Fernfeld-Strahlmuster des SHG-Strahls, die Grundfrequenz und die transversalen Modi. Strukturierte TML-Strahlen und ihre SHG-Strahlen werden gleichzeitig von einem sandwichartigen Mikrochip-Laserresonator erzeugt, der passiv gütegeschaltet ist. Das Team beobachtete viele seltene SHG-Fernfeld-Strahlmuster und ihre Experimente zeigten eine gute Übereinstimmung mit den Simulationen.
Die Studie zeigt, dass die parametrische Variation (insbesondere die Phasendifferenz der Grundfrequenzmoden) für die TML-Modi die Fernfeld-Strahlmuster des SHG-Strahls stark verändert. Generierte SHG-Strahlmuster variieren mit der Ausbreitung von der Strahltaille bis zu mehreren Rayleigh-Längen und bleiben dann bis ins Fernfeld stabil. Es wurde beobachtet, dass die SHG-Strahlungsmuster offensichtlichere strukturelle Eigenschaften aufweisen als die des Grundfrequenzstrahls.
Die Erzeugung von TML-Lasermoden, insbesondere der frequenzkonvertierten, eröffnet faszinierende neue Wege, um verschiedene strukturierte Strahlen mit einem direkten Intracavity-Verfahren zu erhalten. Diese Arbeit wird dazu beitragen, zukünftige Anwendungen von strukturierten Strahlen voranzutreiben, insbesondere im optischen 3D-Druck, beim optischen Einfangen von Partikeln und in Bereichen der optischen Freiraumkommunikation.
Zilong Zhang et al., Erzeugung der zweiten Harmonischen von Laserstrahlen in Zuständen mit transversaler Modenkopplung, Fortgeschrittene Photonik (2022). DOI: 10.1117/1.AP.4.2.026002