高阶模式如线偏振（LP）模式和轨道角动量（OAM）模式等凭借独特的相位、偏振和光强分布，在粒子操纵、高分辨率显微成像、材料加工、光通信和光传感等领域起着不可替代的作用。传统技术中，依赖空间光调制器的高阶模式光纤激光器方案成本高昂、系统复杂；而传统光纤型模式转换器受限于自身结构耦合特性和制造工艺，往往只能激发一阶、二阶横向模式，难以突破“超高阶”瓶颈。此外，当前对高阶模式的研究多聚焦于具有不同拓扑荷数（角向指数）的OAM模式，对以多环形光场分布为特征的径向高阶OAM模式关注较少。值得注意的是，高阶模式的阶数与可切换性在提高系统和设备的性能方面发挥着至关重要的作用——更多的模式意味着更高的信息承载量，而稳定切换则为动态调控提供了可能。特别是具有角向与径向双重变化特性的高阶模式，在大容量光通信、高灵敏度光传感以及量子信息处理等领域展现出独特优势。
研究团队将倾斜多模光纤布拉格光栅作为模式转换元件构建了一种可切换高阶模式的光纤激光器，如图1所示。倾斜多模光纤布拉格光栅作为一种特殊的多模光纤布拉格光栅，其光栅平面相对光纤纵轴存在微小倾斜。这一设计破坏了光纤的圆柱对称性，显著提升了基模与高阶模式之间的耦合效率，从理论上为激发超高阶模式提供了可能。
图1. 高阶模式可切换光纤激光器。
图2. (a) 径向指数为1的OAM模式的光强分布及检测结果；(b) 径向指数为2的OAM模式的光强分布及检测结果；(c) 径向指数为3的OAM模式的光强分布及检测结果。
本研究的核心价值在于摒弃了对昂贵空间光调制器的依赖，突破了基于光纤型模式转换元件的高阶模式激光的生成与调控瓶颈，不仅实现了集成化、低成本和高稳定性的高阶模式灵活调控，为高阶模式光纤激光器的实用化、产业化迈出了关键一步，还为径向高阶OAM模式的深入研究与表征提供了技术支撑，从而有利于促进涡旋光束在光学和光子学广泛领域的进一步发展。上述研究得到了国家自然科学基金委、科技部国家重点研发计划等资助支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acsphotonics.5c00939
