Controlled generation of ultrafast vector vortex beams from a mode-locked fiber laser

Sintesi Tecnica: Generazione Controllata di Fasce a Vortice Vettoriale Ultrafast da un Laser a Fibra Mode-Locked

Definizione del Problema
Le fasce a vortice vettoriale (VVBs), caratterizzate da una complessa strutturazione trasversale della polarizzazione e della fase, sono fondamentali per applicazioni nella lavorazione dei materiali, l'accelerazione di particelle e l'informazione quantistica. Sebbene le VVBs possano essere generate tramite trasformazione modale esterna utilizzando modulatori spaziali di luce o q-plate, questi metodi spesso soffrono di ingombro e potenziali perdite di efficienza. La generazione diretta alla sorgente offre vantaggi in termini di compattezza e purezza. Sebbene progressi recenti abbiano consentito la generazione on-demand di tutti gli stati sulla sfera di Poincaré superiore (HOP) in laser a fibra a onda continua (CW) tramite il controllo della fase di Pancharatnam-Berry intracavità, nessun laser aveva precedentemente raggiunto la creazione on-demand di fasci arbitrari sulla sfera HOP nel regime impulsivo ultrafast. La sfida risiede nel manipolare le fasi geometriche all'interno di una cavità laser per mappare la polarizzazione nel momento angolare orbitale (OAM) senza interrompere il delicato processo di mode-locking passivo richiesto per la generazione di impulsi ultrafast.

Metodologia
Gli autori riportano un laser a fibra drogata con ytterbio ibrido fibra-spazio libero, progettato per generare fasci a vortice vettoriale ultrafast direttamente alla sorgente. La cavità laser consiste in una fibra di guadagno drogata con ytterbio di 1,5 metri, pompata bidirezionalmente da diodi laser a 976 nm. Una caratteristica chiave del design è l'integrazione di una sezione in spazio libero contenente un divisore di fascio di polarizzazione (PBS), lamine d'onda, un rotatore di Faraday e un q-plate (carica topologica $q=0.5$).

Il sistema utilizza la rotazione di polarizzazione non lineare (NPR) vicino ai collimatori per avviare il mode-locking passivo. Fondamentalmente, la cavità è progettata in modo che la manipolazione del modo vettoriale in uscita avvenga in un braccio riflettente isolato dal meccanismo di mode-locking da un rotatore di Faraday. Ciò consente il controllo arbitrario dei pattern di polarizzazione spazio-varianti tramite la rotazione di una lamina a quarto d'onda (QWP) e una lamina a mezz'onda (HWP) senza influenzare la stabilità degli impulsi mode-locked. Il q-plate mappa il momento angolare di spin (SAM) della luce intracavità nel momento angolare orbitale (OAM), convertendo efficacemente gli stati di polarizzazione uniformi in modi a vortice vettoriale. L'uscita è accoppiata attraverso uno specchio dielettrico con una trasmissione di circa il 4%.

Contributi Chiave

1. Prima Sorgente HOP Ultrafast: Il documento dimostra il primo laser capace di generare on-demand arbitrarie modalità a vortice vettoriale sulla sfera di Poincaré superiore nel regime impulsivo ultrafast.
2. Design della Cavità Non Disturbante: Gli autori introducono una configurazione di cavità in cui la manipolazione della fase geometrica non impone alcuna perturbazione all'operazione di mode-locking passivo. Ciò è ottenuto isolando la sezione di sintonizzazione modale con un rotatore di Faraday, garantendo che la commutazione dei modi vettoriali non richieda riallineamenti né alteri le caratteristiche dell'impulso.
3. Modellazione Analitica: Lo studio deduce espressioni analitiche per modellare i profili di polarizzazione cilindricamente simmetrici generati, che si allineano strettamente con le osservazioni sperimentali.
4. Generazione di Modi ad Alta Purezza: Sfruttando la selezione passiva del modo all'interno del risonatore laser, il sistema produce modi Laguerre-Gaussian ad alta purezza, evitando gli artefatti ad anello radiale spesso presenti nei fasci a vortice selezionati esternamente.

Risultati Sperimentali

• Caratteristiche dell'Impulso: Il laser opera a una lunghezza d'onda centrale di 1042 nm con una larghezza di banda di 11 nm. Genera treni di impulsi stabili a un tasso di ripetizione di 28,4 MHz con un rapporto segnale-rumore di 70 dB. Gli impulsi hanno una durata di autocorrelazione di 12 ps, che corrisponde a una durata dell'impulso Gaussiano calcolata di 8,5 ps. Queste proprietà temporali e spettrali rimangono identiche indipendentemente dal modo vettoriale generato.
• Generazione dei Modi: Il sistema genera con successo fasci a vortice scalari ai poli della sfera HOP (ad esempio, $|R\rangle$ e $|L\rangle$) e fasci vettoriali cilindrici (CVB) all'equatore, inclusi i pattern radiali ($|H\rangle$), azimutali ($|V\rangle$) e a spirale ($|A\rangle$, $|D\rangle$).
• Verifica: I modi generati sono stati verificati tramite una telecamera CCD e interferometria. La chiralità dei pattern di interferenza ha confermato il segno dell'OAM. Le distribuzioni di intensità dopo il passaggio attraverso polarizzatori lineari hanno corrisposto alle previsioni teoriche per i specifici stati vettoriali definiti dalle angolazioni delle lamine d'onda.

Significato e Rivendicazioni
Gli autori affermano che questo nuovo laser a fibra costituisce una sorgente di luce compatta e "turnkey" capace di fornire impulsi ultrafast in modi strutturati ad alta purezza. Consentendo l'ingegneria dei campi laser sia nei gradi di libertà spaziali che temporali, la tecnologia facilita la commutazione continua dei modi vettoriali senza riallineamento ottico. Il documento sostiene che tale sorgente è ben adatta a una vasta gamma di applicazioni nella ottica classica e quantistica, inclusa la microscopia, la lavorazione dei materiali e le comunicazioni ottiche, fornendo un metodo flessibile e robusto per la generazione di luce strutturata complessa direttamente dalla cavità laser.