Génération de faisceaux laser LG haute performance à couleur accordable via Janus OPO

Les modes Laguerre-Gaussien (LG) sont un type d’onde lumineuse qui peut transporter le couple externe des photons lorsqu’ils se déplacent dans l’espace. Ils sont utiles dans de nombreux domaines, des communications optiques à l’imagerie à super-résolution. Les développements avancés dans ces applications et d’autres exigent des sources laser en mode LG fiables et aux couleurs réglables, qui n’existent pas encore.

Un oscillateur paramétrique optique (OPO) est un dispositif qui peut générer un faisceau laser accordable en longueur d’onde, il a donc été utilisé pour réaliser une source laser LG accordable en couleur, généralement de deux manières. Une façon consiste à transformer un faisceau régulier en un faisceau LG en utilisant une composante de phase en dehors de l’OPO, mais cela rend le faisceau LG moins pur. L’autre façon consiste à utiliser le mode résonateur d’ordre supérieur afin qu’il puisse créer LG directement à la source, mais cela a été un travail en cours.

Comme rapporté dans Nexus photonique avancé, une équipe de l’Université de Nanjing et de l’Université Sun Yat-Sen a récemment développé un schéma OPO « Janus » à deux faces pour générer des modes LG à large bande à haute efficacité et haute pureté avec une charge topologique accordable. Le résonateur Janus se compose de deux miroirs à cavité, d’un cristal de niobate de lithium périodiquement polarisé, d’un rotateur de Faraday, d’une plaque quart d’onde et d’une plaque à onde vortex vectorielle.

Différent des schémas de conversion de mode intracavité précédents basés uniquement sur les auto-reproductions de la phase et de la polarisation, le Janus OPO introduit un système d’imagerie supplémentaire dans le résonateur pour aider à l’auto-reproduction du front d’onde complexe, ce qui améliore considérablement les performances du LG OPO.

Le mode de la cavité Janus est composé de deux modes différents qui se croisent. Le mode à l’extrémité avant du résonateur est un motif de type gaussien, qui peut mieux correspondre à la lumière de pompe gaussienne pour obtenir un gain élevé. À l’extrémité de sortie, le mode cavité évolue progressivement et en douceur vers un mode LG standard, qui assure une sortie de faisceau LG de haute pureté et réduit efficacement la perte de diffraction. D’autre part, la reconstruction de la distribution d’intensité pendant le processus d’imagerie forme activement un mode LG de haute pureté – plutôt qu’un filtrage en mode passif – ce qui réduit encore les pertes du résonateur.

Selon l’auteur correspondant Yong Zhang, professeur de physique à l’Université de Nanjing, « Le Janus OPO réduit largement la perte du résonateur grâce à la conception d’imagerie et améliore l’efficacité et la pureté du faisceau LG de sortie. » Le mode LG de sortie a une longueur d’onde accordable entre 1,5 μm et 1,6 μm, avec une efficacité de conversion supérieure à 15 %, une charge topologique contrôlable jusqu’à 4 et une pureté de mode pouvant atteindre 97 %.

Zhang note: « L’efficacité de l’OPO peut être encore améliorée en faisant doubler passer la lumière de la pompe, et la bande de longueur d’onde du faisceau de sortie LG a le potentiel de s’étendre au visible et à l’ultraviolet, offrant un outil puissant pour explorer l’interaction entre LG des faisceaux et de la matière, pour des applications potentielles telles que l’imagerie à super-résolution basée sur la microscopie à épuisement par émission stimulée (STED) et la détection précise de la rotation. »

Selon Dunzhao Wei, professeur agrégé à l’École de physique de l’Université Sun Yat-Sen et premier auteur du rapport, « Le schéma de Janus OPO peut être encore étendu à la sortie de faisceaux vectoriels et à la génération de photons LG intriqués, des directions qui joueront un rôle important rôles dans des domaines tels que l’interaction spin-orbite d’ensemble atomique, la fabrication de lasers et les sources quantiques à enchevêtrement plus élevé.