中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)王安廷團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)了超十種不同高階模式的可切換發(fā)射。相關(guān)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(fā)表在光學(xué)領(lǐng)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(shù)飛速發(fā)展的背景下，高階模式如線偏振（LP）模式和軌道角動(dòng)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(dú)特的相位、偏振和光強(qiáng)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(lǐng)域展現(xiàn)出不可替代的價(jià)值。傳統(tǒng)技術(shù)中，超高階模式可切換光纖激光器通常依賴于空間光調(diào)制器，成本高昂且系統(tǒng)復(fù)雜。而傳統(tǒng)光纖型模式轉(zhuǎn)換器受限于自身結(jié)構(gòu)的耦合特性和嚴(yán)格的制造工藝，往往只能激發(fā)一階、二階橫向模式，難以突破“超高階”瓶頸。此外，當(dāng)前對(duì)高階模式的研究多聚焦于具有不同拓?fù)浜蓴?shù)（角向指數(shù)）的OAM模式，對(duì)以多環(huán)形光場(chǎng)分布為特征的徑向高階OAM模式關(guān)注較少。值得注意的是，高階模式的階數(shù)與可切換性在提高系統(tǒng)和設(shè)備的性能方面發(fā)揮著至關(guān)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(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將傾斜多模光纖布拉格光柵作為核心模式轉(zhuǎn)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(tǒng)光纖型模式轉(zhuǎn)換器激發(fā)高階模式數(shù)目少的技術(shù)局限。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該光纖激光器可有效激發(fā)12種不同的LP模式；通過偏振控制能進(jìn)一步獲得21種不同的OAM模式，其拓?fù)浜蓴?shù)可以為0、±1、±2、±3、±4和±5，徑向指數(shù)可以擴(kuò)展為1、2和3；通過波長(zhǎng)調(diào)諧可實(shí)現(xiàn)不同模式間的快速穩(wěn)定切換。該技術(shù)摒棄了對(duì)昂貴空間光調(diào)制器的依賴，實(shí)現(xiàn)了集成化、低成本的高階模式靈活調(diào)控，為高階模式光纖激光器的實(shí)用化、產(chǎn)業(yè)化邁出了關(guān)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(jìn)渦旋光束在光學(xué)和光子學(xué)廣泛領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

圖2.（a）徑向指數(shù)為1的OAM模式的光強(qiáng)分布及檢測(cè)結(jié)果；（b）徑向指數(shù)為2的OAM模式的光強(qiáng)分布及檢測(cè)結(jié)果；（c）徑向指數(shù)為3的OAM模式的光強(qiáng)分布及檢測(cè)結(jié)果。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)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(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所桂華僑、上海理工大學(xué)詹其文為論文共同作者。本工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目支持。