Вільна порожнина Фабрі-Перо

Нещодавно Nature Communications опублікувала знаменну дослідницьку роботу з фотоніки. Дослідницька група з Коледжу оптики та фотоніки CREOL Університету Центральної Флориди та інших установ інноваційно запропонувала та експериментально реалізувала безрезонансну порожнину Фабрі-Перо (FP).

Використовуючи внутрішньорезонаторну голографічну фазову маску для керування орбітальним кутовим моментом (OAM) світлових променів, дослідження досягає необмеженої поступової ескалації порядку мод Лагерра–Гаусса (LG). Цей підхід фундаментально порушує характеристику дискретного резонансу традиційних оптичних резонаторів, створюючи нову оптичну порожнину, яка майже не реагує на збурення довжини порожнини. Це відкриває абсолютно нові шляхи для високостабільного оптичного зондування, лазерів структурованого світла та досліджень неермітової фотоніки.

1. Передумови дослідження та існуючі проблеми. Традиційний резонанс Фабрі-Перо (FP) є основним основним пристроєм у лазерних технологіях, точному оптичному зондуванні, квантовій оптиці та детектуванні фотонів. Однак він має властиві та неминучі обмеження:

1. Він генерує лише резонансні піки на кількох певних довжинах хвиль, що призводить до вузької робочої смуги пропускання.

2. Він надзвичайно чутливий до зміни довжини порожнини; вібрація та коливання температури викликають резонансний дрейф довжини хвилі, погіршуючи точність чутливості та стабільність лазера.

Попередні спроби покращити продуктивність за допомогою дисперсійної техніки та внутрішнього формування оптичного поля не змогли принципово усунути залежність від довжини порожнини та дискретний резонанс, що значно обмежує практичне застосування.2. Основний інноваційний дизайн і принцип роботиЦе дослідження відходить від традиційного шляху модифікації резонаторів за допомогою регулювання дисперсії. Замість цього він по-новому починається з маніпуляції оптичним полем у просторовому режимі та принципово усуває резонанс із фізичного механізму.

Дослідницька група інтегрувала голографічну фазову маску (HPM) у компактний планарний резонатор FP як основний елемент для перетворення мод. Він відмовляється від широко використовуваних мод Ерміта-Гаусса (HG) і приймає моди Лагерра-Гаусса (LG), що несуть орбітальний кутовий момент (OAM) як основу розповсюдження.

Моди LG вищого порядку, створені під час еволюції, мають притаманну ортогональність, яка порушує умову когерентної інтерференції кількох внутрішньорезонаторних пучків. Дискретні резонансні піки звичайних резонаторів повністю пригнічуються, що дає змогу резонатору досягти абсолютно плоскої, безрезонансної широкосмугової спектральної характеристики.

Ключові відмінності між двома режимами:

1. Режим HG: один компонент може перемикатися лише між двома фіксованими режимами, не в змозі досягти безперервної ескалації порядку, тому резонанс неможливо усунути.

2. Режим LG-OAM: Безперервна ескалація всіх модальних порядків може бути реалізована лише за допомогою однієї фазової маски, яка має просту структуру та легку інтеграцію.

3. Експериментальні результати та основні моменти Команда виготовила голографічну фазову маску, використовуючи фототерморефракційне скло, і здійснила перетворення широкосмугового режиму за допомогою об’ємних бреггівських граток. Середня ефективність перетворення мод LG перевищує 87,5% із низьким фазовим спотворенням, що забезпечує ортогональне поширення мод високого порядку.

Експериментальне порівняння показує, що традиційні резонатори FP демонструють дискретні резонансні піки, а їхні спектри значно дрейфують із будь-якою зміною довжини резонатора. Навпаки, новий безрезонансний резонатор повністю усуває резонансні піки, представляючи плоский спектральний відгук, що відповідає вхідному спектру. Він підтримує стабільну продуктивність, навіть коли довжина порожнини змінюється в межах 350%, демонструючи чудову стійкість до зовнішніх перешкод. При введенні гаусового світла моди LG 19-го порядку можуть збуджуватися без генерації резонансу будь-якого порядку, що повністю підтверджує ефективність безрезонансного механізму.