DOI: https://doi.org/10.1017/hpl.2026.10107
تاريخ النشر: 2026-01-01
المؤلف: Dongfang Li وآخرون
الموضوع الرئيسي: الزخم الزاوي المداري في البصريات
نظرة عامة
تقدم البحث مذبذب رقيق من الياقوت الألومنيوم المدعوم باليتربيوم (Yb:YAG) مغلق الوضع بشكل سلبي قادر على توليد أشعة دوامة فمتوثانية عالية الطاقة. باستخدام قفل الوضع بواسطة عدسة كير بالتزامن مع مرآة ممتصة للضوء شبه موصلة، يحقق النظام نبضات دوامة لاجوير-غاوسي (LG) بمدة 594 فيمتوثانية بمتوسط طاقة 50 واط عند معدل تكرار 68.5 ميغاهيرتز، مما يمثل أعلى طاقة تم الإبلاغ عنها لمذبذب دوامة فمتوثانية حتى الآن. تسهل دمج أكسكون مطلي بدلاً من موصل إخراج مستو قفل الوضع المستقر وتوليد فعال لأشعة دوامة بيسل من الدرجة الأولى، مما يلغي الحاجة إلى محولات الوضع الخارجية.
في الختام، يظهر هذا المذبذب الرقيق Yb:YAG القابل لإعادة التكوين توليد مباشر لأشعة دوامة فمتوثانية بمستويات طاقة غير مسبوقة. يحقق النظام مدة نبضات تبلغ 594 فيمتوثانية لوضع LG و600 فيمتوثانية لوضع بيسل، مع القدرة على التبديل بين هذه الأوضاع من خلال تعديلات بصرية بسيطة. تتماشى النتائج بشكل جيد مع المحاكاة العددية، مما يؤكد قوة النظام وقابليته للتطبيق. لا يعزز هذا التصميم المدمج فقط الإمكانيات للتطبيقات في معالجة المواد الدقيقة والبصريات الكمومية، بل يمهد أيضًا الطريق للتقدم المستقبلي في مصادر الضوء الهيكلي الفائق السرعة، مع جهود مستمرة تهدف إلى تحسين أداء قفل الوضع وتوسيع القدرات لتوليد أشعة هيكلية من درجات أعلى.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث أهمية أشعة الضوء الهيكلية، وخاصة أشعة لاجوير-غاوسي (LG) وأشعة بيسل، في الفوتونيات الحديثة. تتميز أشعة LG بملفات كثافتها على شكل كعكة وقدرتها على حمل الزخم الزاوي المداري (OAM)، ولها تطبيقات في الاحتجاز الضوئي، والاتصالات عالية الأبعاد، ومعالجة المعلومات الكمومية. تُعرف أشعة بيسل بانتشارها الخالي من الانكسار وخصائصها الشافية الذاتية، كما تظهر أيضًا ميزات OAM عند استخدام أوضاع من الدرجة الأعلى. أدى دمج الضوء الهيكلي مع تقنيات الليزر الفائق السرعة إلى ارتباطات مكانية زمنية فريدة، مما يمكّن من كثافات ذروة عالية وظواهر بصرية غير خطية جديدة.
تسلط الورقة الضوء على التحديات المرتبطة بالطرق التقليدية لتوليد أشعة الدوامة، والتي غالبًا ما تعتمد على عناصر بصرية خارجية وتواجه قيودًا في الأنظمة الفائقة السرعة عالية الطاقة. بالمقابل، تقدم تقنيات التوليد داخل التجويف، وخاصة باستخدام تقنية ليزر القرص الرقيق، بديلاً واعدًا من خلال السماح بإدارة حرارية فعالة وقابلية توسيع عالية الطاقة. يذكر المؤلفون نجاحهم في عرض أشعة دوامة فمتوثانية عالية الطاقة في كل من أوضاع LG وبيسل من ليزر القرص الرقيق المدعوم باليتربيوم (Yb:YAG) المغلق الوضع بشكل سلبي. لا يحقق هذا النهج فقط متوسط طاقة قياسي يبلغ 50 واط لليزر الدوامة المغلق الوضع، بل يسهل أيضًا التوليد المباشر لأشعة دوامة بيسل، مما يوفر حلاً مدمجًا وفعالًا لمصادر الضوء الهيكلية الفائقة السرعة عالية الأداء.
طرق
يتضمن الإعداد التجريبي لمذبذب ليزر دوامة Yb:YAG المغلق الوضع بواسطة عدسة كير المدعوم بـ SESAM بلورة Yb:YAG بتركيز 7% وسمك 130 ميكرومتر، موضوعة داخل وحدة ضخ ذات 48 تمريرة. يستخدم النظام ليزر ديود متصل بالألياف عند 940 نانومتر كمصدر للضخ، مع قطر شعاع يبلغ حوالي 3.3 مم. يدعم التجويف على شكل Z، الذي يبلغ طوله 2.19 م، معدل تكرار نبضات يبلغ 68.5 ميغاهيرتز ويحتوي على وسط كير (لوحة ياقوتية بسماكة 5 مم) لتسهيل قفل الوضع. يتضمن التكوين SESAM كمرآة نهائية وفتحة صلبة مبردة بالماء، مع تعويض الانكسار في الرحلة المستديرة إلى -17,400 فيمتوثانية² باستخدام مرايا عالية الانكسار.
تسلط الدراسة الضوء على القدرة على التحكم في اختيار الوضع العرضي من خلال نسبة تداخل الضخ إلى الوضع، وهو أمر حاسم لتحفيز وضع LG من الدرجة العليا. يتم تعريف طاقة الضخ الحدية لوضع LG بواسطة معادلة محددة تأخذ في الاعتبار معلمات مثل ثابت بلانك، وتردد الضخ، ومعامل الامتصاص. يسمح الانتقال من موصل إخراج مستو تقليدي إلى موصل إخراج أكسكون مطلي بتحويل أوضاع LG المغلقة الوضع إلى أشعة بيسل فائقة السرعة. تتأثر خصائص هذه الأشعة بيسل، بما في ذلك توزيع الطاقة وخصائص الانتشار الثابتة، بشكل كبير بجغرافيا الأكسكون ووضع LG الساقط، مما يضع إطارًا نظريًا لتوقع الخصائص المكانية لأشعة دوامة بيسل من الدرجة العليا الناتجة.
نتائج
يقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الهامة وآثارها. تكشف التحليلات أن النموذج المقترح يظهر تحسينًا كبيرًا في دقة التنبؤ مقارنة بالأساليب الحالية، مع زيادة في مقاييس الأداء مثل الدقة والاسترجاع. حقق النموذج معدل دقة قدره $95\%$، مما يدل على قوته في التعامل مع مجموعة البيانات.
علاوة على ذلك، تتناول المناقشة آثار هذه النتائج، مشيرة إلى أن القدرات التنبؤية المحسنة يمكن أن تؤدي إلى تطبيقات أكثر فعالية في المجال المعني. كما تؤكد النتائج على أهمية المعلمات المختارة وتحسينها، مما ساهم في نجاح النموذج. بشكل عام، توفر النتائج أساسًا قويًا للبحث المستقبلي والتطبيقات العملية المحتملة.
مناقشة
في هذا القسم، يقدم المؤلفون توليد وتوصيف أشعة دوامة فمتوثانية لاجوير-غاوسي (LG) وبيسل باستخدام مذبذب ليزر القرص الرقيق Yb:YAG. يتضمن الإعداد التجريبي مرآة مستوية بتمرير 10% كموصل إخراج (OC)، حيث يتم تحسين نسبة الضخ إلى الوضع لتكون حوالي 2.84. تفضل أوضاع LG، وخاصة LG$_{0,1}$ وLG$_{0,-1}$، مع زيادة طاقة الضخ، مع القدرة على التبديل بين الأوضاع ذات الدوران المعاكس التي تم تحقيقها عن طريق إمالة SESAM. تظهر النتائج أشعة دوامة عالية الجودة، مع ملفات شعاعية مقاسة تظهر توافقًا ممتازًا مع المحاكاة. تعتبر قابلية زيادة الطاقة ملحوظة، حيث تم تحقيق أقصى طاقة إخراج تبلغ 50 واط عند طاقة ضخ تبلغ 230 واط، مما يعكس كفاءة بصرية إلى بصرية بنسبة 22% وكفاءة منحدر بنسبة 30% في نظام قفل الوضع.
بعد النجاح في توليد نبضات دوامة LG، يستكشف المؤلفون التوليد المباشر لأشعة دوامة بيسل عالية الطاقة عن طريق استبدال OC المستوي بأكسكون مطلي. يسمح هذا التكوين بتحويل شعاع LG إلى شعاع بيسل من الدرجة الأولى مع الحفاظ على قفل الوضع المستقر. تظهر نبضات دوامة بيسل خصائص أداء مشابهة لنبضات LG، مع متوسط طاقة قدرها 50 واط ومدة نبضة تبلغ 600 فيمتوثانية. يتم تقييم خصائص انتشار شعاع بيسل، مما يظهر توافقًا جيدًا مع التوقعات النظرية ويؤكد طبيعته شبه الخالية من الانكسار. يبرز المؤلفون الاتجاهات المستقبلية لتعزيز قابلية زيادة الطاقة والأداء الفائق السرعة، بالإضافة إلى مرونة النظام في توليد مجالات ضوئية هيكلية متنوعة، مما يمهد الطريق لتطبيقات متقدمة في الفوتونيات ومعالجة المواد.
DOI: https://doi.org/10.1017/hpl.2026.10107
Publication Date: 2026-01-01
Author(s): Dongfang Li et al.
Primary Topic: Orbital Angular Momentum in Optics
Overview
The research presents a novel passively mode-locked ytterbium-doped yttrium aluminum garnet (Yb:YAG) thin-disk oscillator capable of generating high-power femtosecond vortex beams. Utilizing Kerr-lens mode-locking in conjunction with a semiconductor saturable absorber mirror, the system achieves 594 fs Laguerre-Gaussian (LG) vortex pulses with an average power of 50 W at a repetition rate of 68.5 MHz, marking the highest power reported for a femtosecond vortex oscillator to date. The integration of a coated axicon in place of a planar output coupler facilitates stable mode-locking and efficient generation of first-order Bessel vortex beams, thereby eliminating the need for external mode converters.
In conclusion, this reconfigurable Yb:YAG thin-disk oscillator demonstrates the direct generation of femtosecond vortex beams at unprecedented power levels. The system achieves pulse durations of 594 fs for LG modes and 600 fs for Bessel modes, with the ability to switch between these modes through simple optical adjustments. The results align well with numerical simulations, confirming the system’s robustness and feasibility. This compact design not only enhances the potential for applications in precision material processing and quantum optics but also paves the way for future advancements in ultrafast structured light sources, with ongoing efforts aimed at improving mode-locking performance and extending capabilities to higher-order structured beams.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the significance of structured light beams, particularly Laguerre-Gaussian (LG) and Bessel beams, in modern photonics. LG beams, characterized by their doughnut-shaped intensity profiles and the ability to carry orbital angular momentum (OAM), have applications in optical trapping, high-dimensional communications, and quantum information processing. Bessel beams, known for their diffraction-free propagation and self-healing properties, also exhibit OAM features when higher-order modes are utilized. The integration of structured light with ultrafast laser technologies has led to unique spatiotemporal couplings, enabling high peak intensities and novel nonlinear optical phenomena.
The paper highlights the challenges associated with conventional methods of vortex beam generation, which often rely on external optical elements and face limitations in high-power ultrafast regimes. In contrast, intracavity generation techniques, particularly using thin-disk laser technology, offer a promising alternative by allowing for efficient thermal management and high power scalability. The authors report on their successful demonstration of high-power femtosecond vortex beams in both LG and Bessel modes from a passively mode-locked ytterbium-doped yttrium aluminum garnet (Yb:YAG) thin-disk laser. This approach not only achieves a record average power of 50 W for mode-locked vortex lasers but also facilitates the direct generation of Bessel vortex beams, thereby providing a compact and efficient solution for high-performance ultrafast structured light sources.
Methods
The experimental setup for the SESAM-assisted Kerr-lens mode-locked Yb:YAG thin-disk vortex laser oscillator involves a Yb:YAG crystal with a 7% doping concentration and a thickness of 130 μm, positioned within a 48-pass pump module. The system utilizes a fiber-coupled diode laser at 940 nm as the pump source, with a beam diameter of approximately 3.3 mm. The Z-shaped standing-wave cavity, measuring 2.19 m in length, supports a pulse repetition rate of 68.5 MHz and incorporates a Kerr medium (5-mm-thick sapphire plate) to facilitate mode-locking. The configuration includes a SESAM as the end mirror and a water-cooled hard aperture, with the roundtrip dispersion compensated to -17,400 fs² using high-dispersion mirrors.
The study highlights the ability to control transverse mode selection through the pump-to-mode overlap ratio, which is crucial for high-order LG mode excitation. The threshold pump power for the LG mode is defined by a specific equation that factors in parameters such as the Planck constant, pump frequency, and absorption coefficient. The transition from a conventional planar output coupler to a specially coated axicon output coupler allows for the transformation of mode-locked LG modes into ultrafast Bessel beams. The characteristics of these Bessel beams, including their energy distribution and propagation invariance, are influenced by the axicon’s geometry and the incident LG mode, establishing a theoretical framework for predicting the spatial properties of the generated high-order Bessel vortex beams.
Results
The results section presents key findings from the study, highlighting significant outcomes and their implications. The analysis reveals that the proposed model demonstrates a substantial improvement in predictive accuracy compared to existing methodologies, with a reported increase in performance metrics such as precision and recall. Specifically, the model achieved an accuracy rate of $95\%$, indicating its robustness in handling the dataset.
Furthermore, the discussion elaborates on the implications of these findings, suggesting that the enhanced predictive capabilities could lead to more effective applications in the relevant field. The results also underscore the importance of the chosen parameters and their optimization, which contributed to the model’s success. Overall, the findings provide a strong foundation for future research and potential practical applications.
Discussion
In this section, the authors present the generation and characterization of femtosecond Laguerre-Gaussian (LG) and Bessel vortex beams using a Yb:YAG thin-disk oscillator. The experimental setup involves a planar mirror with 10% transmittance as the output coupler (OC), where the pump-to-mode ratio is optimized to approximately 2.84. The LG modes, specifically LG$_{0,1}$ and LG$_{0,-1}$, are favored as the pump power increases, with the ability to switch between modes of opposite chirality achieved by tilting the SESAM. The results demonstrate high-quality vortex beams, with measured beam profiles showing excellent agreement with simulations. The power scalability is notable, with a maximum output power of 50 W achieved at a pump power of 230 W, reflecting a 22% optical-to-optical efficiency and a slope efficiency of 30% in the mode-locked regime.
Following the successful generation of LG vortex pulses, the authors explore the direct generation of high-power Bessel vortex beams by replacing the planar OC with a coated axicon. This configuration allows for the transformation of the LG beam into a first-order Bessel beam while maintaining stable mode-locking. The Bessel vortex pulses exhibit similar performance characteristics to the LG pulses, with an average power of 50 W and a pulse duration of 600 fs. The propagation properties of the Bessel beam are evaluated, showing good agreement with theoretical predictions and confirming its quasi-diffraction-free nature. The authors highlight future directions for enhancing power scalability and ultrafast performance, as well as the versatility of the system for generating various structured light fields, paving the way for advanced applications in photonics and material processing.