超表面驅(qū)動渦旋光束生成技術(shù)突破：北郵團隊攻克多維度瓶頸，助力動態(tài)光場應用發(fā)展

    在光通信領(lǐng)域?qū)?ldquo;超高速、大容量”傳輸能力的突破需求、量子信息領(lǐng)域?qū)?ldquo;高穩(wěn)定、高維度”量子態(tài)編碼的探索，以及顯微操控領(lǐng)域?qū)?ldquo;超精細、高精度”作用的技術(shù)挑戰(zhàn)背景下，攜帶軌道角動量（OrbitalAngularMomentum,OAM）的渦旋光束，已成為推動上述領(lǐng)域技術(shù)革新的核心光場載體。其螺旋狀波前結(jié)構(gòu)使不同拓撲荷（TopologicalCharge,l，決定OAM狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)）的光束可實現(xiàn)“并行傳輸”與“獨立編碼”，但長期以來，傳統(tǒng)渦旋光束生成技術(shù)始終受限于拓撲荷切換靈活性不足、高階模式穩(wěn)定性欠缺、調(diào)控速度緩慢三大核心瓶頸，制約了其產(chǎn)業(yè)化應用進程。
    近日，北京郵電大學電子工程學院徐坤教授、桂麗麗教授團隊聯(lián)合國際科研合作者，以“超表面”為核心技術(shù)支撐，提出三項創(chuàng)新性技術(shù)方案，相關(guān)成果分別發(fā)表于《PhotonicsResearch》《ACSPhotonics》《LaserPhotonics&Reviews》三大國際頂尖光學期刊。該系列研究從源端突破傳統(tǒng)技術(shù)局限，為動態(tài)化、集成化渦旋光源的發(fā)展奠定了關(guān)鍵技術(shù)基礎。

    傳統(tǒng)渦旋光束生成技術(shù)的核心瓶頸
    實現(xiàn)渦旋光束“高效、靈活、穩(wěn)定”的源端生成，是其落地應用的首要前提。當前傳統(tǒng)生成方式主要分為兩類，且均存在顯著技術(shù)短板：
    其一為腔外調(diào)制技術(shù)，通過螺旋相位板、空間光調(diào)制器（SpatialLightModulator,SLM）等器件對常規(guī)激光進行后置調(diào)制，以生成渦旋光束。此類技術(shù)雖可實現(xiàn)多模式輸出，但存在設備體積龐大、光能量損耗較高等問題，且難以與小型化光學系統(tǒng)集成，不符合未來“芯片級”光源的發(fā)展趨勢。
    其二為腔內(nèi)調(diào)制技術(shù)，通過在激光器內(nèi)部（如光纖激光器）集成光纖光柵等調(diào)制單元，實現(xiàn)渦旋光束的源端生成。該技術(shù)雖能實現(xiàn)調(diào)制單元與光源的集成化，顯著壓縮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但技術(shù)局限更為突出：多數(shù)方案僅能穩(wěn)定輸出單一或“共軛對”（如l=1與l=-1）的OAM模式，無法實現(xiàn)非共軛模式（如l=1與l=2）的靈活切換；少數(shù)可實現(xiàn)模式切換的方案，響應速度僅停留在毫秒級，且易因調(diào)控波動導致模式混雜；更關(guān)鍵的是，在光纖激光器應用場景中，受限于單模/少模光纖的本征模式數(shù)量，高階OAM模式（如l≥10）易受“模式競爭”“模式耦合”效應抑制，難以實現(xiàn)穩(wěn)定輸出。
    在此背景下，“超表面”（Metasurface）技術(shù)的興起為突破上述瓶頸提供了全新路徑。作為由亞波長微納單元構(gòu)成的二維人工結(jié)構(gòu)，超表面可對光的相位、振幅與偏振進行一體化精準調(diào)控，且具備輕薄化結(jié)構(gòu)特征，易于與激光器諧振腔實現(xiàn)集成——這一特性恰好契合渦旋光束生成技術(shù)對“集成化”與“動態(tài)化”的核心需求。

    三項超表面創(chuàng)新方案：系統(tǒng)性破解傳統(tǒng)技術(shù)瓶頸
    依托超表面的獨特優(yōu)勢，北郵團隊聯(lián)合國際合作者針對傳統(tǒng)技術(shù)痛點，從“拓撲荷解耦”“高階模式輸出”“高速調(diào)控”三個維度設計專項方案，形成了覆蓋低階至高階OAM模式、低速至高速調(diào)控需求的完整技術(shù)體系。
    方案一：偏振復用超表面（PolarizationMultiplexingMetasurface,PMM）——突破共軛拓撲荷限制
    傳統(tǒng)腔內(nèi)調(diào)制技術(shù)的核心痛點之一，是無法擺脫共軛拓撲荷的束縛——模式切換僅能在l與-l之間跳轉(zhuǎn)，無法實現(xiàn)非共軛OAM模式的靈活切換。為解決這一問題，研究團隊設計了具備“三重功能集成”特性的偏振復用超表面（PMM），并將其集成至光纖激光器腔內(nèi)。
    該PMM的核心設計亮點在于其偏振響應的差異化特性：當不同線偏振光入射時，器件可同步實現(xiàn)三項關(guān)鍵功能——對激光輸出信號進行OAM模式調(diào)制（保障渦旋光束生成）、對激光諧振過程進行類高斯光束調(diào)制（維持激光穩(wěn)定振蕩）、精準調(diào)控兩類光束的能量分配比例。在實際操作中，無需復雜的光路重構(gòu)，僅通過旋轉(zhuǎn)腔內(nèi)半波片（Half-WavePlate,HWP），即可直接實現(xiàn)非共軛OAM模式的切換。
    實驗結(jié)果驗證了該方案的技術(shù)突破：激光器輸出渦旋光束的模式純度≥93%（模式純度直接決定光束應用穩(wěn)定性），斜率效率≥5%（能量轉(zhuǎn)換效率滿足實用化需求）；通過設計不同能量分配比例的PMM器件，團隊進一步實現(xiàn)了對腔內(nèi)激光能量的精準調(diào)控，為后續(xù)優(yōu)化器件輸出性能提供了靈活空間。
    方案二：LMSL動態(tài)調(diào)控平臺——實現(xiàn)高階OAM光束輸出與波長獨立調(diào)諧
    隨著光通信領(lǐng)域“高維度復用”技術(shù)發(fā)展與光學操控領(lǐng)域“高精度作用”需求提升，高階OAM光束（如l≥20）的穩(wěn)定輸出成為關(guān)鍵技術(shù)目標，同時對光束波長的獨立調(diào)控需求也日益迫切。在PMM技術(shù)研究基礎上，團隊引入液晶可變延遲器（LiquidCrystalVariableRetarder,LCVR）與圓偏振復用超表面，構(gòu)建了“LCVR-超表面-LCVR”（LMSL）動態(tài)調(diào)控平臺。
    將LMSL平臺集成至光纖激光器腔內(nèi)后，通過調(diào)節(jié)LCVR的驅(qū)動電壓，可實現(xiàn)高階拓撲荷的靈活切換——實驗中成功實現(xiàn)了l=2（模式純度95.7%）與l=20（模式純度93.0%）兩類高階OAM光束的穩(wěn)定輸出，突破了傳統(tǒng)光纖激光器難以生成高階OAM模式的技術(shù)局限。
    更重要的是，該方案實現(xiàn)了“波長與拓撲荷的獨立調(diào)諧”：借助腔內(nèi)可調(diào)諧濾波器（TunableFilter,TF），團隊在1014–1046nm波段實現(xiàn)了32nm范圍的連續(xù)波長調(diào)控，且波長切換過程與拓撲荷切換無干擾——這一特性意味著同一套系統(tǒng)可根據(jù)應用需求，同步調(diào)整光束的“螺旋形態(tài)”（拓撲荷）與“光譜特性”（波長），大幅提升了技術(shù)方案的應用靈活性。此外，實驗測得OAM模式切換的上升時間為17.5ms、下降時間為2.4ms，可滿足中高速動態(tài)調(diào)控場景（如中等速率光通信的模式切換）需求。
    方案三：MEMS可調(diào)諧雙層超表面（MEMS-BMS）——實現(xiàn)渦旋光束切換速度的微秒級躍升
    針對高速光通信、實時光學成像等場景對“微秒級”調(diào)控速度的需求，桂麗麗教授團隊聯(lián)合南丹麥大學納米光學中心SergeyI.Bozhevolnyi教授團隊、挪威科技工業(yè)研究所孟超博士團隊，提出“MEMS可調(diào)諧雙層超表面（MEMS-BilayerMetasurface,MEMS-BMS）”技術(shù)方案，將渦旋光束的切換速度從傳統(tǒng)“毫秒級”躍升至“微秒級”。
    該方案的核心技術(shù)邏輯為“壓電驅(qū)動+雙層超表面協(xié)同調(diào)控”：通過四組壓電環(huán)驅(qū)動MEMS反射鏡，實現(xiàn)對雙層超表面與反射鏡之間空氣間隙的納米級精度調(diào)控；當空氣間隙發(fā)生變化時，可觸發(fā)渦旋模式的周期性切換，例如實現(xiàn)l=-1與l=2非共軛模式的快速跳轉(zhuǎn)。
    實驗數(shù)據(jù)顯示，該方案的OAM光束切換速度可達約50kHz，對應單程響應時間僅9μs——較基于液晶（LCVR）的調(diào)控方案，速度提升了3個數(shù)量級（液晶方案響應時間為毫秒級）。此外，該方案在保障“高速調(diào)控”的同時，兼顧了“高能量效率”與“系統(tǒng)緊湊性”：無需復雜光路設計，器件可實現(xiàn)微型化集成，完美適配自適應光學系統(tǒng)的應用需求。

    技術(shù)突破的核心價值與未來展望
    北郵團隊的系列研究并非孤立的技術(shù)探索，而是圍繞“渦旋光束實用化”目標形成的系統(tǒng)性技術(shù)突破。綜合來看，三項方案共同實現(xiàn)了四大核心優(yōu)勢：
    1.拓撲荷調(diào)控維度的全面拓展：覆蓋低階（l=1）至高階（l=20）OAM模式，突破共軛拓撲荷限制，實現(xiàn)非共軛模式的靈活切換；
    2.波長與拓撲荷的獨立可調(diào)諧性：在1014–1046nm波段實現(xiàn)32nm連續(xù)波長調(diào)控，且波長切換與拓撲荷調(diào)控無干擾，適配多場景應用需求；
    3.模式切換速度的量級式提升：從Hz級（液晶方案）躍升至kHz級（MEMS-BMS方案），滿足從低速到高速的全場景調(diào)控需求；
    4.實用化性能指標的穩(wěn)定保障：輸出渦旋光束模式純度普遍≥93%，斜率效率≥5%，且實現(xiàn)低閾值運轉(zhuǎn)，為集成化應用提供穩(wěn)定技術(shù)支撐。

    未來，隨著超表面設計的進一步優(yōu)化——如拓展調(diào)控波段至紅外、太赫茲領(lǐng)域，或?qū)崿F(xiàn)更高階OAM模式（如l≥50）的穩(wěn)定輸出——該系列動態(tài)渦旋光源有望在更廣泛領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化落地：在光通信領(lǐng)域，為5G/6G技術(shù)提供“超高速、大容量”的傳輸通道；在量子計算領(lǐng)域，支撐更高維度OAM量子比特的編碼與操控；在生物醫(yī)學領(lǐng)域，為單細胞精準操控、超分辨成像提供核心技術(shù)工具。
    從實驗室技術(shù)突破到產(chǎn)業(yè)化應用轉(zhuǎn)化，超表面驅(qū)動的渦旋光束生成技術(shù)，正為動態(tài)光場調(diào)控領(lǐng)域的發(fā)展開辟新路徑，為相關(guān)行業(yè)的技術(shù)革新提供關(guān)鍵支撐。