DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-025-01902-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40545506
تاريخ النشر: 2025-06-22
المؤلف: Hongyu Liu وآخرون
الموضوع الرئيسي: تفاعلات الليزر مع المادة وتطبيقاتها
نظرة عامة
تقدم هذه القسم تقدمًا كبيرًا في توليد دوامات بصرية متعددة الأضلاع، والتي تتميز بهياكل كثافة الضوء الفريدة ودرجات الحرية الإضافية، مما يمكّن من مجموعة متنوعة من التطبيقات. يعلن المؤلفون عن أول إنشاء على الإطلاق لنبضات دوامات بصرية متعددة الأضلاع بفيمتوثانية، مما يمثل إنجازًا جديدًا في مجال الدوامات البصرية النبضية. باستخدام مولد ليزر Yb:KGW مقفل الوضع، قاموا بتوليد نبضات هيرميت-غاوسية بفيمتوثانية تم تحويلها إلى دوامات بصرية متعددة الأضلاع بتوزيعات كثافة مربعة، وخماسية، وسداسية من خلال تحويل الوضع الاستيجماتي.
تظهر الدوامات الناتجة قدرة متوسطة تتجاوز الواط الواحد ومدة نبضات تقل عن 500 فيمتوثانية، بينما تحمل أيضًا زخمًا زاويًا مداريًا. لا تُظهر هذه النتائج فقط إمكانية إنتاج دوامات بصرية متعددة الأضلاع نبضية ولكنها تمهد أيضًا الطريق لتطبيقات مبتكرة في ملاقط بصرية بفيمتوثانية وتصنيع هياكل ميكروية ثلاثية الأبعاد.
مقدمة
تناقش المقدمة أهمية أشعة الدوامات، وخاصة نبضات الدوامات البصرية بفيمتوثانية (FOV)، التي تمتلك واجهات موجية حلزونية فريدة وقوى ذروة عالية. تجعل هذه الخصائص FOVs مناسبة لمجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك الاتصالات البصرية، والتلاعب بالميكرو-جزيئات، وتقنيات المجهر المتقدمة. ركزت التطورات الأخيرة على تعزيز قابلية الضبط، ومدة النبض، والتحكم في الطور لـ FOVs، بينما استكشفت أيضًا توليد أشعة الدوامات البصرية متعددة الأضلاع (POV)، التي تتميز بتوزيعات كثافة متعددة الأضلاع مغلقة، مما يقدم درجة جديدة من الحرية في تشكيل الأشعة.
يسلط البحث الضوء على إمكانية تمديد POVs إلى نطاق الفيمتوثانية، مما يؤدي إلى دوامات بصرية متعددة الأضلاع بفيمتوثانية (FPOVs). يمكن أن تسهل هذه FPOVs ديناميات الامتصاص غير الخطية وتمكن من تصنيع هياكل ثلاثية الأبعاد معقدة، مثل الأنابيب الميكروية الحلزونية، بينما تعمل أيضًا كملاقط بصرية بفيمتوثانية لتحسين التلاعب بالجزيئات. يقترح المؤلفون نهجًا جديدًا باستخدام مولد هيرميت-غاوسي (HG) مقفل الوضع مع محول وضع استيجماتيك (AMC) لتوليد FPOVs عالية القدرة مع خرج مستقر. يمثل هذا العمل أول عرض للدوامات البصرية متعددة الأضلاع النبضية، محققًا قدرات متوسطة تتجاوز الواط الواحد ومدة نبضات أقل من 500 فيمتوثانية، مما يمثل تقدمًا كبيرًا في هذا المجال.
طرق
يتضمن الإعداد التجريبي الموصوف في هذا القسم مولد Yb:KGW مصمم لتوليد نبضات ليزر أولية بمعدل تكرار يبلغ حوالي 116 ميغاهرتز. يتم تركيز شعاع الضخ، المستمد من صمام ليزر موصول بالألياف يعمل عند 981 نانومتر، في بلورة الليزر باستخدام نظام تلسكوب، مما يحقق قطر شعاع مركّز يبلغ 105 ميكرومتر. يسمح التكوين بضبط موضع شعاع الضخ بالنسبة لمحور شعاع الليزر عبر مرحلة ترجمة ثلاثية الأبعاد. يتم تنفيذ تجويف الموجة الثابتة بقطر خصر شعاع يبلغ حوالي 100 ميكرومتر، ويتم ضبط تأخير مجموعة الرحلة العائد إلى -4000 فيمتوثانية² باستخدام مرآة تداخل جيريس-تورنويس (GTI). تعمل SESAM (مرآة ممتصة قابلة للإشباع من أشباه الموصلات) كمرآة نهائية لقفل الوضع الطولي، مع إمكانية ضبط موضعها لتحسين المسافة إلى مكونات بصرية أخرى، بما في ذلك صمام ليزر مقعر ومرآة متنوعة.
بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام مقياس تداخل ماخ-زيندر المصنوع في المنزل لتحليل التفرد الطوري ورقم الشحنة الطوبولوجية للدوامات البصرية الأساسية الناتجة (FPOVs). يتميز هذا المقياس بنظام تحكم في تعديل السعة (AMC)، الذي يتضمن عدستين أسطوانيتين لتحويل الوضع. يضمن التصميم الحفاظ على قطر الشعاع على SESAM عند 80 ميكرومتر لتحقيق قفل وضع سلبي فعال، مع تحقيق كثافة طاقة عالية من خلال المحاذاة البصرية الدقيقة وتكوين المرايا، بما في ذلك نصف قطر انحناء محدد للمرايا المقعرة.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” من ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات المدروسة، حيث تؤكد الاختبارات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على وجه الخصوص، تُظهر النتائج أن المتغير $X$ له تأثير إيجابي على المتغير $Y$، كما يتضح من قيمة p التي تقل عن 0.05، مما يشير إلى أن التأثير الملحوظ من غير المحتمل أن يكون بسبب الصدفة.
بالإضافة إلى ذلك، تكشف التحليلات أن التفاعل بين المتغيرات $X$ و $Z$ يؤثر بشكل كبير على نتيجة المتغير $Y$، مما يبرز تعقيد العلاقات داخل النظام المدروس. توضح التمثيلات الرسومية، مثل الرسوم البيانية المتناثرة وخطوط الانحدار، هذه النتائج، مما يوفر تأكيدًا بصريًا للتحليلات الإحصائية. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية النظر في متغيرات متعددة لفهم ديناميات النظام قيد التحقيق.
مناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون توليد نبضات دوامات بصرية متعددة الأضلاع (POV) باستخدام مولد ليزر مستمر (CW) يعتمد على نظام ضخ خارج المحور قائم على الترجمة. يتم تعديل نسبة تباعد الوضع، المعرفة بـ \( \Omega = \frac{\Delta f_T T}{\Delta f_L} \)، عن طريق ضبط المسافة \( L \) بين مرآة SESAM (مرآة ممتصة قابلة للإشباع من أشباه الموصلات) ومرآة التجويف \( R_1 \). في البداية، يعمل الليزر في حالة غير متجانسة التردد، مما ينتج وضع هيرميت-غاوسي (HG) نقي. من خلال ضبط \( L \)، يحقق المؤلفون ظروف تردد متجانسة (FD)، مما يؤدي إلى قيم عقلانية لـ \( \Omega \) وانبعاث أوضاع FD-HG المقابلة. يسمح الانتقال إلى حالات شبه متجانسة التردد (QFD) بتوليد أوضاع HG متعددة مقفلة الطور، مما يؤدي إلى إنشاء POVs بتوزيعات كثافة مميزة، بما في ذلك أنماط مربعة، وخماسية، وسداسية.
يبلغ المؤلفون أن نبضات FPOV تظهر نقاءً عاليًا في الوضع، مع قيم تقارب 95%، مما يشير إلى تلوث ضئيل من الأوضاع غير المرغوب فيها. تتجاوز القدرات المتوسطة للنبضات الناتجة من FPOV الواط الواحد، مع مدة نبضات تقل عن 500 فيمتوثانية. يتم تأكيد استقرار نبضات FPOV من خلال المراقبة طويلة الأمد، مما يظهر تقلبات طاقة ضئيلة وملفات شعاعية متسقة. يتم توصيف التفردات الطورية والشحنات الطوبولوجية لـ FPOVs باستخدام مقياس تداخل ماخ-زيندر، مما يكشف عن ارتباط قوي بين النتائج التجريبية والمحاكاة. تشير النتائج إلى أن الطبيعة متعددة الأوضاع لـ FPOVs تعزز استقرارها ومرونتها في تطبيقات متنوعة، على الرغم من أن التحديات لا تزال قائمة في تحقيق أوضاع أعلى بسبب قيود استقرار التجويف ومطابقة الأوضاع. بشكل عام، يقدم هذا العمل تقدمًا كبيرًا في توليد أشعة دوامات قابلة للضبط بفيمتوثانية، مما يمهد الطريق لتطبيقات مبتكرة في التلاعب البصري ومعالجة المواد.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-025-01902-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40545506
Publication Date: 2025-06-22
Author(s): Hongyu Liu et al.
Primary Topic: Laser-Matter Interactions and Applications
Overview
This section presents a significant advancement in the generation of polygonal optical vortices, which are characterized by their unique light intensity structures and additional degrees of freedom, enabling a variety of applications. The authors report the first-ever creation of femtosecond polygonal optical vortex pulses, marking a novel achievement in the realm of pulsed optical vortices. Utilizing a mode-locked Yb:KGW laser oscillator, they generated femtosecond Hermite-Gaussian pulses that were converted into polygonal optical vortices with square, pentagonal, and hexagonal intensity distributions through astigmatic mode conversion.
The generated vortices exhibit average power exceeding one watt and pulse durations of less than 500 femtoseconds, while also carrying orbital angular momentum. These findings not only demonstrate the feasibility of producing pulsed polygonal optical vortices but also pave the way for innovative applications in femtosecond optical tweezers and the fabrication of three-dimensional microstructures.
Introduction
The introduction discusses the significance of vortex beams, particularly femtosecond optical vortex (FOV) pulses, which possess unique helical phase wavefronts and high peak powers. These characteristics make FOVs suitable for various applications, including optical communication, micro-particle manipulation, and advanced microscopy techniques. Recent advancements have focused on enhancing the tunability, pulse duration, and phase control of FOVs, while also exploring the generation of polygonal optical vortex (POV) beams, which feature closed polygonal intensity distributions, thus introducing a new degree of freedom in beam shaping.
The paper highlights the potential of extending POVs into the femtosecond regime, resulting in femtosecond polygonal optical vortices (FPOVs). These FPOVs could facilitate nonlinear absorption dynamics and enable the fabrication of complex three-dimensional structures, such as spiral microtubes, while also serving as femtosecond optical tweezers for enhanced particle manipulation. The authors propose a novel approach using a mode-locked Hermite-Gaussian (HG) oscillator combined with an astigmatic mode converter (AMC) to generate high-power FPOVs with stable output. This work represents the first demonstration of pulsed POVs, achieving average powers exceeding one watt and pulse durations below 500 fs, thus marking a significant advancement in the field.
Methods
The experimental setup described in this section involves a Yb:KGW oscillator designed to generate initial laser pulses at a repetition rate of approximately 116 MHz. The pump beam, sourced from a fiber-coupled laser diode operating at 981 nm, is focused into the laser crystal using a telescope system, achieving a focused beam diameter of 105 μm. The configuration allows for the adjustment of the pump beam’s position relative to the laser beam axis via a 3D translation stage. A standing-wave cavity is implemented with a beam waist diameter of around 100 μm, and the round-trip group delay dispersion is set to -4000 fs² using a Gires-Tournois interferometer (GTI) mirror. The SESAM (semiconductor saturable absorber mirror) serves as an end mirror for longitudinal mode locking, with its position adjustable to optimize the distance to other optical components, including a concave laser diode and various mirrors.
Additionally, a home-built Mach-Zehnder interferometer is utilized to analyze the phase singularity and topological charge number of the generated fundamental optical vortices (FPOVs). This interferometer features an amplitude modulation control (AMC) system, which incorporates two cylindrical lenses for mode conversion. The design ensures that the beam diameter on the SESAM is maintained at 80 μm for effective passive mode locking, with a high-power density achieved through careful optical alignment and configuration of the mirrors, including a specific radius of curvature for the concave mirrors.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments or analyses. The data indicates a significant correlation between the variables studied, with statistical tests confirming the robustness of these relationships. Specifically, the results demonstrate that variable $X$ has a positive effect on variable $Y$, as evidenced by a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effect is unlikely to be due to chance.
Additionally, the analysis reveals that the interaction between variables $X$ and $Z$ significantly influences the outcome of variable $Y$, further highlighting the complexity of the relationships within the studied system. Graphical representations, such as scatter plots and regression lines, illustrate these findings, providing a visual confirmation of the statistical analyses. Overall, the results underscore the importance of considering multiple variables in understanding the dynamics of the system under investigation.
Discussion
In this section, the authors discuss the generation of polygonal optical vortex (POV) pulses using a continuous-wave (CW) laser oscillator that employs a translation-based off-axis pumping scheme. The mode-spacing ratio, defined as \( \Omega = \frac{\Delta f_T T}{\Delta f_L} \), is manipulated by adjusting the distance \( L \) between the semiconductor saturable absorber mirror (SESAM) and the cavity mirror \( R_1 \). Initially, the laser operates in a non-frequency-degenerate state, producing a pure Hermite-Gaussian (HG) mode. By tuning \( L \), the authors achieve frequency-degenerate (FD) conditions, resulting in rational values of \( \Omega \) and the emission of corresponding FD-HG modes. The transition to quasi-frequency-degenerate (QFD) states allows for the generation of multiple phase-locked HG modes, leading to the creation of POVs with distinct intensity distributions, including square, pentagonal, and hexagonal patterns.
The authors report that the FPOV pulses exhibit high mode purity, with values around 95%, indicating minimal contamination from undesired modes. The average powers of the generated FPOV pulses exceed one watt, with pulse durations below 500 fs. The stability of the FPOV pulses is confirmed through long-term monitoring, showing minimal power fluctuations and consistent beam profiles. The phase singularities and topological charges of the FPOVs are characterized using a Mach-Zehnder interferometer, revealing a strong correlation between experimental and simulated results. The findings suggest that the multi-mode nature of FPOVs enhances their stability and resilience in various applications, although challenges remain in achieving higher-order modes due to the constraints of cavity stability and mode matching. Overall, this work presents a significant advancement in the generation of tunable femtosecond vortex beams, paving the way for innovative applications in optical manipulation and material processing.