Nano Letters封面: 变废为宝-镜面伤痕创造可调控微腔涡旋激光- 大数跨境

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Nano Letters封面: 变废为宝-镜面伤痕创造可调控微腔涡旋激光

两江科技评论

2022-02-26

导读：近日，新加坡南洋理工大学Yu-Cheng Chen教授课题组发展了基于纳米槽结构的光流体微腔，实现了可控涡旋激光的产生。该激光器可灵活调控拓扑荷数和激光波长，同时支持涡旋光束的动态调控。

欢迎课题组投递中文宣传稿，投稿方式见文末

撰稿|乔桢（新加坡南洋理工大学博士后）

导读

涡旋激光是现代科学的重要光源，在光学通信、光学加密、微纳加工、生物成像等方面具有独特应用价值。构建多维可控的微腔涡旋激光器可推动多功能光子集成器件的发展。近日，新加坡南洋理工大学Yu-Cheng Chen教授课题组发展了基于纳米槽结构的光流体微腔，实现了可控涡旋激光的产生。该激光器可灵活调控拓扑荷数和激光波长，同时支持涡旋光束的动态调控。相关工作以“Tunable Optical Vortex from a Nanogroove-Structured Optofluidic Microlaser”为题发表在Nano Letters上，并被选为2022-2月封面论文。

图1：基于纳米槽结构的光流体微腔产生涡旋激光的论文封面图。

研究背景

涡旋光束是一类具有螺旋形波前相位的光束，绕光束中心一周，其空间相位改变2π的整数倍，这个整数通常被称为拓扑荷数。1992 年，Allen 等人证明涡旋光束的每个光子携带量子态的轨道角动量。从此，涡旋光束开启了光学领域新的篇章。目前，涡旋光束已经在光学通信、光学微操控、超分辨成像等领域展现了非凡的应用价值。与此同时，发展多维度可调的光涡旋器件可大幅拓展涡旋光束的应用前景。

在过去十几年中，科研人员不断探索创新方法，在微米尺度上操控涡旋光束的多维属性，例如拓扑荷数、波长等。其中，微腔激光器可为光涡旋集成提供有利平台。然而，构建多维度可调的涡旋微腔激光器面临两个方面的挑战：一，产生涡旋光束的微腔激光器往往需要复杂且精细的腔结构，这限制了拓扑荷的调节能力以及高阶涡旋光束的产生。二，受限于固体增益材料（例如半导体、钙钛矿等），难以实现在宽波段内调节涡旋光束的波长。

为克服上述挑战，新加坡南洋理工大学Yu-Cheng Chen研究团队化繁为简，发展了基于纳米槽结构的光流体微腔，实现了可控涡旋激光的产生。涡旋激光的拓扑荷数可通过不同长度的纳米槽结构进行调控；与此同时，利用不同光微流增益材料，可在整个可见光波段调控涡旋激光波长。最后，研究人员构建了光微流微腔器件，演示了涡旋激光的动态调控。

创新研究

研究人员构建了基于纳米槽微腔结构的光流体激光器,用于产生涡旋光束。如图1所示，利用两个反射镜片组成法布里-珀罗腔结构，其中，在一个腔镜表面刻蚀长条形的纳米槽结构（图2b），其深度约为20nm（图2c）。由于纳米槽对光的限制作用，微腔会选择长条形的厄密高斯（HG0n）模式振荡，其中n为厄米高斯光束的阶数。利用一个柱透镜模式转换器，厄密高斯光束就会被转换成拓扑荷数为l=n的涡旋光束。一方面，涡旋光束的拓扑荷数可由纳米槽的长度控制；另一方面，利用光流体材料的流动性，可通过选择任意液体增益材料调节涡旋光束的波长。值得一提的是，纳米槽结构是利用玻璃微珠摩擦镜片形成，方法简单且成本极低，可大大降低涡旋微腔激光器的复杂性以及加工成本。

图2.（a）基于纳米槽结构的光流体微腔结构以及涡旋激光产生。(b)镜片表面纳米槽结构的显微图像。（c）纳米槽结构的原子力显微图像。比例尺：10 μm。

通过选择不同长度的纳米槽结构，研究人员证明了具有不同拓扑荷涡旋光束的产生。如图3所示，利用长度为9.4 μm~89.2 μm的纳米槽结构（图3a），分别产生了阶数为n=1~16的厄米高斯光束。利用柱透镜模式转换器，获得了拓扑荷为l=1~16的涡旋光束。结果表明基于纳米槽结构的微腔可实现拓扑荷的灵活调控。除此之外，研究人员还展示了通过泵浦同一个纳米槽的不同位置，实现拓扑荷的动态调控。

研究人员进一步证明，通过在微腔内封装不同液体增益材料，可以在宽波段内调节涡旋光束的波长。如图4a所示，利用不同荧光染料，分别产生了蓝色、绿色以及红色的涡旋光束，波长分别为430nm，555nm以及630nm。最后，研究人员构建了一个光流体微腔装置，用于实时调节激光波长（图 4b）。通过控制 FITC 和 Rh6G 染料溶液以特定顺序流过微腔，实现了涡旋激光波长的动态调控（图4c,4d）。