涡旋光束因其携带轨道角动量（OAM）在光通信、量子信息和显微操控等领域具有广泛应用。在源端产生涡旋光束具有高效率、高模式纯度，以及高集成性等优势。然而，传统涡旋激光器存在输出OAM 拓扑荷数固定或共轭、切换速度慢、系统复杂等问题。近日，北京邮电大学电子工程学院徐坤教授、桂丽丽教授团队在国际著名期刊《Photonics Research》、《ACS Photonics》以及《Laser Photonics & Reviews》分别发表了最新研究成果。
研究团队通过三种创新技术方案：偏振复用超表面（Polarization Multiplexing Metasurface, PMM）、液晶可变延迟器-超表面-液晶可变延迟器（Liquid Crystal Variable Retarder-Metasurface-Liquid Crystal Variable Retarder, LMSL）平台、微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System, MEMS）可调谐双层超表面（MEMS-BMS），分别在源端实现了拓扑荷解耦切换、高阶OAM 光束动态输出，并通过微秒级切换动态涡旋波片提升了OAM模式重构速率，为下一代集成、动态结构光源的发展奠定了坚实基础。
涡旋光束是一种具有螺旋波前和相位奇点的结构化光场，其拓扑荷数（Topological Charge, l）决定了光束的OAM状态。不同l值的涡旋光束可用于：高速光通信（多路复用提升信道容量），量子信息编码（OAM态作为量子比特），光镊与显微成像（操控微粒与超分辨成像）。传统OAM光束生成方式分为腔外调制（如螺旋相位板、SLM）和腔内调制（如光纤光栅）。前者存在效率低、体积大等问题；后者虽能实现调制单元与光源的集成，使系统结构压缩，但技术局限明显：多数方案仅能稳定输出单一或共轭对的OAM 模式；少数可实现模式切换的方案，不仅响应速度慢，还易因调控波动产生模式混杂；尤其在光纤激光器生成场景中，受限于单模/少模光纤的本征模式数量，高阶OAM 模式易被模式竞争、模式耦合效应抑制。
近年来，超表面（Metasurface）作为二维人工微纳结构平台，为突破上述瓶颈提供了新方向。其通过亚波长微纳单元的精准设计，可实现对光场相位、振幅、偏振的一体化调控，且易于与激光器谐振腔集成，为涡旋激光器集成化和源端模式动态切换提供了新思路。
1. PMM：突破共轭拓扑荷限制，实现解耦OAM 光束切换
针对传统腔内调制仅能输出共轭拓扑荷的不足，研究团队设计了一种具备三重功能的偏振复用超表面（PMM），并将其集成至光纤激光器腔内（如图1所示）。该超表面的核心优势在于：在不同线偏振光入射时，可同时实现三种差异化功能: OAM 模式调制（用于激光信号输出）、类高斯光束调制（用于激光谐振过程）、以及二者的能量效率分配调控（如图2所示）。
通过旋转腔内半波片（HWP），无需复杂光路调整，即可直接实现两种非共轭解耦OAM 模式的切换（如l = 1 与l = 2），彻底打破了传统方法的技术限制。实验结果显示，该激光器输出OAM光束的模式纯度≥93%，斜率效率≥5%（如图3所示）。此外，团队还通过设计不同OAM-类高斯光束效率比的PMM器件，验证了其对腔内能量的精准调控能力。
图1 基于腔内线偏振复用PMM的可切换涡旋光纤激光器示意图。WDM：波分复用器；Col. 1 和Col. 2：准直器；HWP 1 和HWP 2：半波片；L. 1 和L. 2：透镜；PBS：偏振分束器；ISO：隔离器；Yb-PMF：掺镱保偏光纤；PMM：偏振复用超表面；RGB：残余类高斯光束。
图2. 腔内线偏振复用PMM的设计策略和仿真结果。(a) PMM 单元结构示意图。(b) 单元结构的俯视图。所选单元结构的(c) 透射率和(d) 相位。(e) PMM1透射的同偏振和交叉偏振光束分量的仿真远场强度和相位图。黄色和紫色虚线框分别表示x和y偏振输入下的同偏振输出，红色虚线框表示x或y偏振输入下的交叉偏振输出。(f) 自由空间中光束的模式和偏振演化示意图。
图3. 基于腔内线偏振复用PMM1 的可切换涡旋光纤激光器的实验结果。(a) PMM1 的扫描电子显微镜（SEM）图像。(b) 涡旋激光的典型输出光谱。(c) 拓扑荷l1= 2 的涡旋光束的强度图和(d) 自干涉图样，虚线分别表示光束强度边界和分叉条纹。(e) 输出功率与泵浦功率的关系。圆点表示测量数据点，实线表示拟合曲线。插图为模式纯度分布。(f) 拓扑荷l2= 1 的涡旋光束的强度图和(g) 自干涉图样。虚线含义同(c, d)。(h) 输出功率与泵浦功率的关系。与(e) 类似，方块点表示实验数据点，实线为线性拟合。插图为模式纯度分布。
2. LMSL 平台：实现高阶OAM 光束动态输出与波长独立调谐
为满足高阶 OAM 光束的应用需求，在PMM 研究基础上，课题组进一步引入液晶可变延迟器（LCVR）与圆偏振复用超表面，构建了腔内动态调控平台——LMSL 平台（如图4所示）。将该平台集成至光纤激光器腔内后，通过调节驱动LCVR 的电压，可实现高阶拓扑荷的灵活切换：实验中成功实现了l = 2（模式纯度95.7%）与l = 20（模式纯度93.0%）两种高阶OAM 光束的稳定动态输出（如图5所示）。
更重要的是，该激光器还实现了波长与拓扑荷的独立调谐。通过可调谐滤波器（TF），在1014–1046 nm 波段实现了32 nm 范围的连续波长调谐，且波长切换与拓扑荷切换过程互不干扰，大幅提升了应用灵活性。实验测得OAM 模式切换的上升时间为17.5 ms、下降时间为2.4 ms（如图6所示），满足中高速动态调控场景需求。
该设计在光纤激光器中实现了l = 20高阶涡旋光束的稳定输出，为高维度光通信、精密光学操控等领域提供了关键技术支撑。
图4. 腔内LMSL 平台示意图。虚线框显示了超表面的超晶胞排列和单元结构。左上角的插图表示了该平台在激光腔内的有效工作波长范围。
图5. 基于LMSL的涡旋光纤激光器示意图及实验结果。(a)LMSL 集成于涡旋激光器腔内的设置，红色虚线框表示自由空间中的横模和偏振演化过程。蓝色虚线框显示了超表面的SEM图像，比例尺代表 1 μm。(b)输出功率与泵浦功率的关系。红色实心圆点表示 LCVR 在电压Vp1下工作，激光输出为l = 2的OAM 光束；蓝色虚线圆点表示LCVR 在电压Vp2下工作，激光输出为l = 20的OAM 光束。(c)激光输出不同拓扑荷OAM 光束的强度图和干涉图样。
图6 基于LMSL的涡旋光纤激光器的可调谐实验结果。(a) 通过调整可调谐滤波器进行光谱调谐。(b) 针对不同发射中心波长和激射模式，激光器的阈值功率（蓝色）和斜率效率（红色）。(c) 不同波长下OAM 光束的强度图样。(d) 不同发射中心波长下OAM 光束的模式纯度。(e) 在LMSL 平台不同驱动电压(Vp) 下，偏振态的连续变化（入射到超表面上）和激光输出图样。红色圆圈代表实验结果，彩色曲线表示输入偏振态演变时的仿真结果。(f) 在正交LCP/RCP 通道中测得的OAM 模式切换时间响应，LCVR 由周期性矩形信号驱动。
3. MEMS-BMS 方案：将OAM 光束切换速度提升至kHz级
为进一步突破切换速度瓶颈，桂丽丽教授团队与南丹麦大学纳米光学中心Sergey I. Bozhevolnyi教授、孟超博士团队、以及挪威科技工业研究所合作，提出MEMS 可调谐双层超表面（MEMS-BMS）方案。通过驱动微镜调节双层超表面与反射镜之间的空气间隙，实现解耦 OAM 光束的超快速切换（如l = -1 与l = 2，如图7所示）。
该MEMS-BMS采用四组压电环驱动MEMS反射镜，实现纳米级位移精准调控；通过改变空气间隙的大小，可触发涡旋模式的周期性切换（如图8所示）。实验结果显示，OAM 光束的切换速度可达约50 kHz（对应单程响应时间为9 μs），比基于液晶的方案快了3个数量级（液晶方案的响应时间为毫秒级，此方案为微秒级，如图9所示）。
该方案结合压电MEMS技术，有效解决了动态涡旋光束生成中效率、响应速度、系统紧凑性难以兼顾的核心矛盾，为微型化自适应光学系统提供了新范式。
图7.MEMS-BMS涡旋波片（VWP）的工作原理。(a)电驱动MEMS-BMS VWP的示意图，用于在右旋圆偏振（RCP）光束入射下实现l=2和l=-1涡旋模式的可重构切换。偏振旋向定义为：沿光传播方向观察时电场矢量的旋转方向。（b） MEMS-BMS元胞示意图，包括在SiO₂衬底上制备的BMS，两层超表面（MS）通过SU8聚合物间隔层分离，以及可移动金质MEMS反射镜。MS1和MS2层厚度均为Tm1=Tm2=50 nm，SU8最佳厚度为TSU8=470 nm。MS2层与MEMS反射镜之间的空气间隙Ta可通过向MEMS反射镜施加电压精确调节。（c, d）从x-y平面上方俯视的MS1和MS2元胞。元胞周期为Λ=450 nm，其他参数空间[Lx1, Ly1, θ1]和[Lx2, Ly2, θ2]分别对应MS1和MS2元胞。
图8.MEMS-BMS VWP的制备、组装与表征。（a）暗场模式下观察到的直径100 μm制备BMS的光学显微图。（b）制备的MS1（玻璃衬底上，左）和MS2（位于底层SU8和MS1层顶部，右）纳米结构中心区域的扫描电子显微图。（c）组装的MEMS-BMS器件典型照片，包括在SiO₂衬底上制备的BMS，通过胶水固定在带有薄膜压电MEMS反射镜的印刷电路板（PCB）上以实现电驱动。（d）组装MEMS-BMS器件的详细光学显微图，显示压电锆钛酸铅（PZT）薄膜悬臂梁支撑圆形镀金反射镜，覆盖上方制备的BMS。（e） RCP光激发下，MEMS-BMS在LCP/RCP输出通道的实测反射率及相应偏振转换效率(PCR)随Ta的变化关系。
图9. MEMS-BMS VWP用于快速可重构涡旋光束生成（λ=1030 nm）。（a）RCP光激发下，MEMS-BMS VWP在RCP通道反射光束强度轮廓随驱动电压Vm的实测演化。（b）RCP通道中l=2（Vm1=4.8 V，MS2关闭）和l=-1（Vm2=1.6 V，MS2开启）反射涡旋光束的实测强度分布及自干涉图案。（c）通过1.5 kHz周期性矩形信号驱动MEMS反射镜，测得l=2和l=-1涡旋模式切换的时间响应。
该系列研究或将超表面与光纤激光器结合，或与动态调制元件（LCVR、MEMS）深度融合，突破了传统涡旋光束产生方法的多项瓶颈，具有以下优势：
1. 拓扑荷解耦：覆盖低阶至高阶OAM 模式，突破共轭拓扑荷限制，实现非共轭模式灵活切换；
2. 波长独立调谐：在1014–1046 nm 波段实现32 nm 连续调谐，且与拓扑荷调谐完全独立；
3. 切换速度跃升：从Hz级（LCVR 方案）提升至kHz级（MEMS方案），满足高速动态调控需求；
4. 兼顾实用性能：实现高模式纯度、高转换效率与低阈值运转，适配集成化场景。
未来，通过改进超表面的设计，有望进一步拓展动态涡旋激光器以及涡旋调制器件的功能边界，推动涡旋光源在高速光通信、量子计算、生物成像、光学操控等领域的应用。
论文链接：
DOI:
Hao Chen, Lili Gui, Chuanshuo Wang, Yiyuan Xu, Xianglong Mei, Hailun Xie, and Kun Xu, “Intracavity Polarization-Multiplexing Metasurface Empowered Vortex-Switchable Fiber Lasers”, Photonics Research, 2025, Early Posting.
https://doi.org/10.1364/PRJ.564167
Hao Chen, Lili Gui, Yiyuan Xu, Chuanshuo Wang, Xianglong Mei, Kun Xu, “Dynamic Vortex Fiber Laser Enabled by an Active Meta-optics Platform”, ACS Photonics 2025, 12, 8, 4651–4658.
https://doi.org/10.1021/acsphotonics.5c01092
Chuanshuo Wang, Lili Gui, Haonan Li, Paul C. V. Thrane, Hao Chen, Xianglong Mei, Yiyuan Xu, Fei Ding, Kun Xu, Sergey I. Bozhevolnyi, Chao Meng, “MEMS-Tunable Bilayer Plasmonic Metasurfaces for Dynamic Vortex Wave Plates”, Laser Photonics & Reviews, 2025, e01406.
https://doi.org/10.1002/lpor.202501406
撰稿|课题组
