直接从薄盘激光振荡器产生强大的光学涡旋

近年来，光学涡旋因其年强度分布和轨道角动量在激光先进制造中受到广泛关注。与以基本横模高斯光束为光源进行激光烧蚀和制造相比，涡旋光束可以产生更光滑的烧蚀表面，并且涡旋光束携带的轨道角动量可以传递到加工材料上以制造螺旋微纳米结构，手感可调。

高功率涡旋光束对于提高激光制造效率、揭示极端条件下光与物质相互作用的规律具有重要作用。如何探索稳定可靠的产生高功率涡旋光的方法已成为相关领域的研究热点。

目前，由于相位器件工作波段的限制、功率损伤阈值低以及器件缺陷等原因，采用外腔模式转换方法很难产生高光束质量的高功率涡旋光。腔内直接产生涡旋光束，具有传输稳定性好、光束质量高的优点。

目前，腔内法产生的涡旋光主要以全固态激光器和光纤激光器为主。由于热效应和较低的损伤阈值，产生的涡旋光束的输出功率大多在瓦量级，最高功率可达~30W。需要开发一种直接在腔内产生高输出功率涡旋光束的新方法。

薄盘激光器因其特殊的结构、大的泵浦光斑面积和高的散热效率，在产生高功率激光方面显示出巨大的优势。薄盘技术与涡旋光发生的结合为开发高性能涡旋激光源提供了新的方法。

在《光：先进制造》杂志上发表的一篇论文中，华中科技大学光电信息学院和武汉光电国家实验室的张金伟教授领导的科学家团队及其合作者建立了一个薄盘振荡器基于横模竞争和控制产生高功率光学涡旋光束。

通过改变腔内光斑的大小，高阶横模由于增益阈值低而首先振荡，并在腔内成为主导，从而抑制基模的振荡。实验装置可分为两部分：薄盘涡旋振荡器，用于产生高输出功率的涡旋光;马赫-曾德干涉仪，用于检测螺旋相位特性。

通过改变谐振器稳定区的位置，可以调节盘上基模激光光斑的大小。在这种情况下，可以控制各阶模式的增益。

实验中，控制一阶拉盖尔高斯(LG)模式具有最低振荡阈值，主导腔内振荡，实现高功率输出。为了实现手性特性的控制，在腔体中添加了涂覆的熔融石英板，破坏正负手性涡旋光的传输对称性，从而可以通过调整板的角度来控制手性特性。

通过模拟圆盘上不同光斑尺寸下各阶横模的增益积分，研究了光斑尺寸对模式竞争的影响。

仿真结果表明，通过改变基模光斑的大小，某一阶LG光束可以比其他阶横模获得更高的增益积分，且该模式在腔内占主导地位。

实验中获得了最高功率100W、光束质量优异的一阶涡旋光，并对其螺旋相位特性进行了表征。这种高功率涡旋激光器将提高材料加工的效率和灵活性，并为探索与结构光相关的新参数空间铺平道路。