Khoang Fabry-Perot miễn phí

Gần đây, Nature Communications đã xuất bản một công trình nghiên cứu quang tử mang tính bước ngoặt. Một nhóm nghiên cứu từ Trường Cao đẳng Quang học và Quang tử CREOL tại Đại học Trung tâm Florida và các tổ chức khác đã đề xuất và hiện thực hóa bằng thực nghiệm một hộp cộng hưởng Fabry-Pérot (FP) không cộng hưởng.

Bằng cách sử dụng mặt nạ pha ba chiều trong khoang để điều khiển động lượng góc quỹ đạo (OAM) của chùm ánh sáng, nghiên cứu đạt được sự leo thang trật tự dần dần không bị giới hạn của các chế độ Laguerre–Gauss (LG). Cách tiếp cận này về cơ bản phá vỡ đặc tính cộng hưởng rời rạc của các bộ cộng hưởng quang học truyền thống, tạo ra một khoang quang học mới gần như miễn nhiễm với các nhiễu loạn về chiều dài khoang. Nó mở ra những con đường hoàn toàn mới cho cảm biến quang học có độ ổn định cao, laser ánh sáng có cấu trúc và nghiên cứu quang tử phi Hermiti.

1. Bối cảnh nghiên cứu và những thách thức hiện tại Khoang cộng hưởng Fabry-Pérot (FP) truyền thống là thiết bị lõi cơ bản trong công nghệ laser, cảm biến quang học chính xác, quang học lượng tử và phát hiện photon. Tuy nhiên, nó có những hạn chế cố hữu và không thể tránh khỏi:

1. Nó chỉ tạo ra các đỉnh cộng hưởng ở một số bước sóng cụ thể, dẫn đến băng thông hoạt động hẹp.

2. Nó cực kỳ nhạy cảm với sự thay đổi chiều dài khoang; dao động rung động và nhiệt độ đều gây ra sự trôi bước sóng cộng hưởng, làm giảm độ chính xác của cảm biến và độ ổn định của laser.

Những nỗ lực trước đây nhằm cải thiện hiệu suất thông qua kỹ thuật phân tán và định hình trường quang trong khoang đã thất bại trong việc loại bỏ căn bản sự phụ thuộc vào độ dài khoang và sự cộng hưởng rời rạc, hạn chế rất nhiều các ứng dụng thực tế.2. Nguyên tắc làm việc và thiết kế sáng tạo cốt lõi Nghiên cứu này phá vỡ lộ trình sửa đổi bộ cộng hưởng thông thường thông qua quy định phân tán. Thay vào đó, nó bắt đầu một cách đổi mới bằng thao tác chế độ không gian của trường quang và loại bỏ cơ bản sự cộng hưởng khỏi cơ chế vật lý.

Nhóm nghiên cứu đã tích hợp mặt nạ pha ba chiều (HPM) bên trong khoang FP phẳng nhỏ gọn làm thành phần cốt lõi để chuyển đổi chế độ. Nó từ bỏ các chế độ Hermite–Gauss (HG) thường được sử dụng và sử dụng các chế độ Laguerre–Gauss (LG) mang mômen động lượng quỹ đạo (OAM) làm cơ sở lan truyền.

Các chế độ LG bậc cao hơn được tạo ra trong quá trình tiến hóa có tính trực giao vốn có, phá vỡ điều kiện giao thoa nhất quán của nhiều chùm tia nội bộ. Các đỉnh cộng hưởng riêng biệt của các hộp cộng hưởng thông thường bị triệt tiêu hoàn toàn, cho phép hộp cộng hưởng đạt được phản ứng phổ băng thông rộng hoàn toàn phẳng, không cộng hưởng.

Sự khác biệt chính giữa hai chế độ:

1. Chế độ HG: Một thành phần duy nhất chỉ có thể chuyển đổi giữa hai chế độ cố định, không thể đạt được mức tăng bậc liên tục nên không thể loại bỏ hiện tượng cộng hưởng.

2. Chế độ LG-OAM: Có thể thực hiện leo thang liên tục tất cả các đơn đặt hàng phương thức chỉ với một mặt nạ pha, có cấu trúc đơn giản và tích hợp dễ dàng.

3. Kết quả thí nghiệm và những điểm nổi bật cốt lõiNhóm nghiên cứu đã chế tạo mặt nạ pha ba chiều bằng cách sử dụng kính chiết quang quang nhiệt và thực hiện chuyển đổi chế độ băng thông rộng thông qua cách tử Bragg thể tích. Hiệu suất chuyển đổi trung bình của các chế độ LG vượt quá 87,5% với độ méo pha thấp, cho phép truyền trực giao các chế độ bậc cao.

So sánh thực nghiệm cho thấy các khoang FP truyền thống thể hiện các cực đại cộng hưởng riêng biệt và quang phổ của chúng trôi đi đáng kể với bất kỳ thay đổi nào về chiều dài khoang. Ngược lại, khoang không cộng hưởng mới loại bỏ hoàn toàn các đỉnh cộng hưởng, mang lại phản ứng phổ phẳng phù hợp với phổ đầu vào. Nó duy trì hiệu suất ổn định ngay cả khi chiều dài khoang thay đổi trong khoảng 350%, chứng tỏ khả năng miễn dịch tuyệt vời trước các nhiễu loạn bên ngoài. Khi ánh sáng Gaussian được đưa vào, các chế độ LG bậc 19 có thể được kích thích mà không tạo ra cộng hưởng ở bất kỳ bậc nào, điều này xác minh đầy đủ tính hiệu quả của cơ chế không cộng hưởng.