圖：渦旋光的(a)光場強度和(b)傳輸軌跡

近日，Science子刊《Science Advances》發(fā)表題目為“MEMS-metasurface?enabled mode-switchable vortex lasers”(基于MEMS超構(gòu)表面的模式可切換渦旋 激光器)的學(xué)術(shù)論文。論文由北京郵電大學(xué)信息光子學(xué)與光通信全國重點實驗室聯(lián)合南丹麥大學(xué)納米光學(xué)中心、挪威科技工業(yè)研究所共同完成。第一作者為北京郵電大學(xué)博士生王傳碩，北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院徐坤教授、桂麗麗教授與南丹麥大學(xué)納米光學(xué)中心Sergey I. Bozhevolnyi院士(丹麥自然科學(xué)院和丹麥工業(yè)技術(shù)科學(xué)院兩院院士)、孟超博士為本文通訊作者。

此項研究，主要聚焦渦旋光束領(lǐng)域，目的是通過將光學(xué)超構(gòu)表面(OMS)與壓電微機電系統(tǒng)(piezoelectric MEMS)技術(shù)相結(jié)合，研發(fā)一種模式可重構(gòu)的動態(tài)渦旋光纖激光器。

提到“渦旋光”，你可能感到很陌生，那么你一定注意到了，生活中有很多現(xiàn)象都與“旋轉(zhuǎn)”息息相關(guān)。比如水流入下水池時形成的旋轉(zhuǎn)漩渦，或者熱帶氣旋、龍卷風(fēng)，它們的力量都源于旋轉(zhuǎn)。在光學(xué)領(lǐng)域，有一種擁有旋轉(zhuǎn)特性的光——渦旋光。與普通的光不同，渦旋光具有獨特的螺旋相位輪廓。在先進光學(xué)成像、光學(xué)操縱、激光加工等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。傳統(tǒng)上，渦旋光束的生成通常依賴于復(fù)雜且笨重的光學(xué)元件，難以滿足現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)對輕量化和緊湊性的需求。因此，開發(fā)小型化、高效且易于集成的光學(xué)元件，成為了當前渦旋光束研究領(lǐng)域的一大熱點。

光學(xué)超構(gòu)表面(OMS)則為實現(xiàn)這些目標提供了全新思路。它猶如一塊“光的魔法拼圖”，由納米級的“拼圖塊”組成，每一小塊都能精確地操控光的幅度、相位和偏振，從而實現(xiàn)光的轉(zhuǎn)彎、聚焦、變色等奇妙效果。相比傳統(tǒng)光學(xué)元件，它不僅超薄輕便，而且功能強大，仿佛是光學(xué)世界的“魔術(shù)師”，將人類對光的控制推向了微觀尺度的新時代。

在探索如何基于OMS從源頭構(gòu)建用戶友好的結(jié)構(gòu)光源問題上，北郵科研團隊依托長期以來在微納光場調(diào)控和光纖激光器領(lǐng)域的深厚科研積累，研發(fā)成功了將OMS與壓電微機電系統(tǒng)(piezoelectric MEMS)集成的平臺，通過電壓驅(qū)動MEMS微鏡來動態(tài)、高效地調(diào)制MEMS-OMS的光學(xué)響應(yīng)，并將其集成到光纖激光腔內(nèi)，最終實驗實現(xiàn)了一種模式可切換的新型渦旋激光源。與傳統(tǒng)的單一模式輸出的靜態(tài)激光器相比，這種具有模式可重構(gòu)特性的動態(tài)激光器可大大提高和豐富激光光源的靈活性和功能性，將有望為光通信、超分辨成像、微粒操控以及激光加工等領(lǐng)域帶來更多可能性。

圖.動態(tài)可重構(gòu)結(jié)構(gòu)光源的設(shè)計。(A)MEMS-OMS的設(shè)計原理;(B)激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體地，MEMS-OMS由在SiO2基板上加工的OMS微納結(jié)構(gòu)和由電壓驅(qū)動的MEMS反射鏡組裝而成。其光學(xué)響應(yīng)受控于OMS納米棒和MEMS反射鏡復(fù)合結(jié)構(gòu)內(nèi)部的等離激元/法布里-珀羅耦合諧振。通過對MEMS反射鏡施加電壓Vm可以精確控制其和OMS層之間的氣隙Ta，實現(xiàn)OMS層功能的高效關(guān)閉(普通反射鏡)和開啟(渦旋半波片)，從而獲得高斯光束和攜帶軌道角動量(OAM)的渦旋光束的動態(tài)切換。

將MEMS-OMS集成到一個由光纖鏡、MEMS-OMS和部分透射的輸出耦合鏡構(gòu)成的V形光纖激光腔中，僅通過切換驅(qū)動電壓，即可在腔內(nèi)對光場直接調(diào)制并生成具有可重構(gòu)模式的結(jié)構(gòu)光束，開創(chuàng)了可調(diào)諧激光光源設(shè)計的新范式。

OMS通過電子束光刻、剝離等工藝制備，與MEMS微鏡組裝后的MEMS-OMS在兩個工作狀態(tài)下具有>80%的工作效率。將其集成到激光腔后，在Vm1 = 4.4 V和Vm2 = 6.8 V時，MEMS-OMS分別可以在鏡面反射和渦旋半波片的兩個操作狀態(tài)之間重新配置，從而在1030 nm波長附近實現(xiàn)高斯和渦旋模式的快速切換(~100 μs)，渦旋光束純度可達>95%。

圖.MEMS-OMS的表征和激光器的輸出特性。(A)OMS的掃描電鏡圖;(B)組裝的MEMS-OMS的細節(jié)展示;(C)模擬的兩偏振通道的反射率和對比度隨Ta的變化;(D)MEMS-OMS的響應(yīng)時間;(E)高斯和渦旋光束的強度分布和自干涉圖樣。

當問及該項研究的應(yīng)用場景，研發(fā)團隊成員王傳碩同學(xué)說到：“腔內(nèi)MEMS-OMS的激光器系統(tǒng)為產(chǎn)生高純度快速可切換激光模式提供了一種源頭上的解決方案。這一系統(tǒng)具有廣泛的潛在應(yīng)用場景。例如，在先進光學(xué)成像中，我們可以通過關(guān)閉和打開螺旋相位輪廓，在普通明場成像(下圖第一行)和二維邊緣檢測成像(下圖第二行)之間實現(xiàn)快速切換。這種成像技術(shù)在增強現(xiàn)實(AR)中能夠提供更真實的深度感知與環(huán)境模擬，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，為精準治療和高精度檢測提供了強有力的技術(shù)支持。”

在先進光學(xué)成像中的應(yīng)用，圖中為洋蔥表皮細胞

通過持續(xù)的技術(shù)優(yōu)化和與其他領(lǐng)域的深度融合，這項技術(shù)有望推動更加個性化和智能化的應(yīng)用創(chuàng)新。無論是在提升日常生活中的顯示效果、提供更加精準的醫(yī)療治療，還是在激光加工中提高效率，它都將顯著改變我們的生活方式，并最終轉(zhuǎn)化為切實改善生活質(zhì)量的實際應(yīng)用。

審核編輯 黃宇