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帶“旋”光束不簡單！

更新時間：2025-05-23

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　　關鍵技術進展

1.腔內直接激發結構光場

　　1) 基于離軸泵浦和像散轉換產生渦旋結構光場

　　我們課題組通過對泵浦的離軸控制來改變泵浦和不同模式分布的重疊率，從而控制增益損耗，產生所需的高階模式，而后經過腔外的模式像散轉換器得到帶軌道角動量的光場，如拉蓋爾-高斯模式(LG)的光場、厄米-拉蓋爾-高斯模式的光場和SU(2)幾何模式，如圖1(a)所示。

　　中國臺灣交通大學Chen課題組基于此方法得到了三維李薩如光場，如圖1(b)所示。該課題組在橫縱模鎖定的狀態下，在菲涅耳數更大的激光系統中得到了余擺線光場，以及自發橫向鎖模的穩定渦旋晶格模式，如圖1(c)所示。

　　圖1 幾種典型的復雜渦旋結構光場。(a)SU(2)幾何模光場相位控制;(b) 李薩如光場及其傳輸;(c) 余擺線光場及其傳輸

　　2) 基于腔內調制器件產生渦旋結構光

　　為了在腔內獲得渦旋結構光，研究人員初期在諧振腔內插入金屬細絲，獲得高純度的一階厄米-高斯光束，此后將各種調制器件插入諧振腔內，例如螺旋相位板、光闌、聲光調制器、液晶q平板和液晶空間光調制器等。

　　南非CSIR國家激光中心Naidoo所在課題組通過調控腔內q平板和1/4波片的角度實現了整個高階龐加萊球上光束的產生，以及光子自旋和軌道角動量間的可控轉換。

　　南非KwaZulu-Natal大學Ngcobo所在課題組利用空間光調制器，通過灰度圖像控制相位和振幅,實現標準固態激光諧振腔模式的實時切換。

　　廈門華僑大學Liu所在課題組利用空間光調制器實現了V型折疊數字激光器，結合腔外π/2像散模式轉換器，可以實現拓撲荷為-11~12的渦旋光束。

　　3) 基于泵浦整形產生渦旋結構光

　　用空間調制器件改變泵浦光束在晶體內的橫向分布可控制晶體內增益的空間分布，實現諧振腔輸出特定本征模式的控制。

　　德國威斯特伐利亞威廉斯大學Schepers所在課題組和廈門大學Chen所在課題組分別提出了環形光纖泵浦和數字微鏡陣列(DMD)空間增益整形兩種實驗方案，前者通過控制泵浦光的環形光斑直徑實現了0~14階矢量渦旋光束的輸出，后者通過DMD對泵浦光束整形，實現了超過1000種高純度厄米-高斯模的輸出。

　　2. 腔外調制產生渦旋結構光場

　　1) 基于腔外液晶調制器件產生渦旋結構光

　　在腔外使用空間光調制器可以更加靈活地數字化定制標量結構光，主要分為兩類技術：在衍射零階構造目標光場，即雙相位全息法(DPH);在衍射高階構造目標光場，即計算全息法(CGH)。

　　如圖2所示，前者通過減小相位步長來降低空間光調制器的空間衍射效率，而后者則通過加入高空間頻率光柵，增加一階衍射。此外，對不同的模式疊加不同方向的閃耀光柵生成復用模板，采用復用模板可以使各個模式向不同的方向衍射，產生多光束定制的效果，南非金山大學Rosales-Guzmán所在課題組實現了多達200個空間模式的復用。

　　圖2 CGH方法定制光場模式。(a) 多種定制結構光場;(b) 單空間光調制器調制200個空間模式復用輸出

　　2) 基于腔外模式疊加產生渦旋結構光

　　矢量光束可以通過模式疊加產生。其主要思路是使用空間光調制器結合腔外的偏振控制和模式疊加技術得到數字化可控矢量光束。

　　中國臺灣師范大學Lu所在課題組利用空間光調制器產生了多拉蓋爾-高斯模疊加光束，然后對該光束進行腔外偏振控制和疊加產生花瓣形高階龐加萊矢量結構光束。

　　南非金山大學Rosales-Guzmán所在課題組利用空間光調制器空間多通道復用技術和模式疊加技術獲得了多渦旋光束，同時產生了16個不同偏振分布和空間形狀的矢量渦旋光束，如圖3所示。

　　圖3 腔外模式疊加和多通道復用技術同時產生多矢量結構光束。(a) 實驗裝置;(b) 原理示意圖;(c) 實驗結果

　　3) 基于超構表面渦旋結構光的產生

　　超構表面是由一系列幾何結構經過設計的光學散射體組成的陣列，可在微納尺度上對光的相位、偏振以及傳輸方向進行靈活的控制。

　　香港浸會大學Li所在課題組利用幾何相位元件構建的超構表面將自旋角動量轉化成軌道角動量，并在實驗上證實了兩個自旋之間的橫向角分裂，實現了自旋霍爾效應的直接觀測。

　　中國科學院光電子學研究所Ma所在課題組利用超構表面將圓偏振光轉換為渦旋光，并實現了該渦旋光到單個點的聚焦，如圖4(a)所示。

　　哈佛大學Devlin所在課題組產生了分數和整數階拓撲荷數的渦旋光束，實現了任意軌道角動量的多個共線渦旋光束的同時產生，此外還將左旋和右旋圓偏振光轉換為攜帶獨立軌道角動量的渦旋光，如圖4(b)所示。

　　另外，中國科學院光電子學研究所Li所在課題組實現了多波長、不同拓撲荷數、多偏振的復用與解復用。

　　深圳大學Xie所在課題組利用反向設計的概念設計了結構緊湊的高效垂直軌道角動量發生器，其模式純度約為97%。

　　圖4 超構表面產生渦旋光。(a)六邊形單元超構表面;(b)圓偏振光向兩束任意軌道角動量光束的轉換

　　總結與展望

　　研究人員探索的六種方法各有千秋：

　　腔內離軸泵浦加腔外像散轉換的方法操作簡單，成本低，且具有可調控性，可用于集成，但受限于腔內振蕩模式，不能實現模式的隨意定制，激發的模式有限。

　　在腔內使用調制元件進行調制的方法雖然可以通過改變調制元件來調制光場，但成本高，且不可任意調控。

　　利用腔內泵浦整形的方法可以通過設計泵浦得到特定的輸出結構光，但對泵浦光整形要求較高，可集成度較低。

　　在腔外利用空間光調制器的方法可以定制不同的結構光，靈活性高，但不利于集成，成本較高。

　　利用腔外模式疊加的方法可產生的模式豐富，靈活性較高，且在矢量光的產生方面具有明顯優勢，但對實驗調整的要求較高，同時可集成度較低。

　　基于腔外等離子體超構表面產生結構光是近幾年興起的一個研究方向，可集成度高，可變性高，對光子角動量的物理研究豐富，對光通信領域的發展和推動具有巨大潛力，但設計復雜，制作成本高。

　　另外，對渦旋結構光時域、頻域、空域等方面參數的拓展，仍具有非常廣闊的研究空間：

　　在空域參數方面，對于維度更高、結構更為豐富的模式的產生，以及具有更高實用性的產生裝置的設計，仍需開展進一步的理論與實驗研究。

　　在時域與頻域參數方面，未來重要的發展方向包括：利用調Q及鎖模技術產生高峰值功率渦旋結構光輸出，利用放大技術產生高平均功率渦旋結構光輸出，進而利用非線性變換實現渦旋結構光軌道角動量以及光譜拓展等。

參考文獻：中國光學期刊網

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