Prosta Fabry-Perotova votlina

Pred kratkim je Nature Communications objavil pomembno raziskovalno delo o fotoniki. Raziskovalna skupina s Visoke šole za optiko in fotoniko CREOL na Univerzi v osrednji Floridi in drugih institucij je inovativno predlagala in eksperimentalno realizirala Fabry-Pérotovo (FP) votlino brez resonance.

Z uporabo intrakavitetne holografske fazne maske za manipulacijo orbitalne kotne količine (OAM) svetlobnih žarkov študija doseže neomejeno postopno stopnjevanje reda Laguerre-Gaussovih (LG) načinov. Ta pristop bistveno prekine diskretno resonanco, značilno za tradicionalne optične resonatorje, in ustvari novo optično votlino, ki je skoraj imuna na motnje dolžine votline. Odpira povsem nove poti za visokostabilno optično zaznavanje, strukturirane svetlobne laserje in raziskave nehermitske fotonike.

1. Raziskovalno ozadje in obstoječi izzivi Tradicionalna Fabry-Pérotova (FP) resonančna votlina je temeljna jedrna naprava v laserski tehnologiji, optičnem natančnem zaznavanju, kvantni optiki in zaznavanju fotonov. Vendar pa ima prirojene in neizogibne omejitve:

1. Ustvari samo resonančne vrhove pri nekaj specifičnih valovnih dolžinah, kar ima za posledico ozko delovno pasovno širino.

2. Je izjemno občutljiv na spremembe dolžine kavitete; vibracije in temperaturna nihanja povzročajo odmik resonančne valovne dolžine, kar zmanjšuje natančnost zaznavanja in stabilnost laserja.

Prejšnji poskusi izboljšanja zmogljivosti z disperzijskim inženiringom in oblikovanjem optičnega polja v votlini niso uspeli bistveno odpraviti odvisnosti od dolžine votline in diskretne resonance, kar močno omejuje praktične aplikacije.2. Temeljna inovativna zasnova in načelo delovanja. Ta raziskava se odmika od običajne poti spreminjanja resonatorjev z regulacijo disperzije. Namesto tega se inovativno začne z manipulacijo prostorskega načina optičnega polja in v osnovi odpravi resonanco iz fizičnega mehanizma.

Raziskovalna skupina je integrirala holografsko fazno masko (HPM) znotraj kompaktne planarne votline FP kot osrednji element za pretvorbo načina. Opušča običajno uporabljene načine Hermite–Gauss (HG) in kot osnovo širjenja sprejme načine Laguerre–Gauss (LG), ki nosijo orbitalni kotni moment (OAM).

Načini LG višjega reda, ustvarjeni med evolucijo, imajo inherentno ortogonalnost, ki prekine stanje koherentne interference več žarkov znotraj votline. Diskretni resonančni vrhovi običajnih votlin so popolnoma potlačeni, kar votlini omogoča, da doseže povsem raven širokopasovni spektralni odziv brez resonance.

Ključne razlike med obema načinoma:

1. Način HG: Posamezna komponenta lahko preklaplja samo med dvema fiksnima načinoma, ne more doseči neprekinjenega stopnjevanja reda, zato resonance ni mogoče odpraviti.

2. Način LG-OAM: Neprekinjeno stopnjevanje vseh modalnih naročil je mogoče realizirati s samo eno fazno masko, ki ima preprosto strukturo in enostavno integracijo.

3. Eksperimentalni rezultati in bistveni poudarki Ekipa je izdelala holografsko fazno masko z uporabo fototermorefraktivnega stekla in izvedla pretvorbo širokopasovnega načina prek prostorninskih Braggovih rešetk. Povprečna učinkovitost pretvorbe načinov LG presega 87,5 % z nizkim faznim popačenjem, kar omogoča pravokotno širjenje načinov visokega reda.

Eksperimentalna primerjava kaže, da tradicionalne votline FP kažejo diskretne resonančne vrhove in da se njihovi spektri znatno premikajo s kakršno koli spremembo dolžine votline. Nasprotno pa nova votlina brez resonance popolnoma odpravi resonančne vrhove in predstavlja raven spektralni odziv, skladen z vhodnim spektrom. Ohranja stabilno delovanje, tudi če se dolžina votline spreminja v razponu 350 %, kar dokazuje odlično odpornost na zunanje motnje. Ko je vbrizgana Gaussova svetloba, je mogoče vzbujati načine LG do 19. reda brez ustvarjanja resonance v katerem koli vrstnem redu, kar v celoti potrjuje učinkovitost mehanizma brez resonance.