近日，中国科学技术大学苏州高等研究院蒋建华课题组与香港科技大学（广州）吴肖肖课题组合作，提出并实验验证了非周期凯库勒（Kekulé）调制的超表面结构中狄拉克涡旋腔态辐射的自旋-轨道角动量耦合机制。相关成果以“Unveiling spin-orbital angular momentum locking in photonic Dirac vortex cavities”为题，发表于《Laser & Photonics Reviews》[1]。香港科技大学（广州）博士后李海涛为论文第一作者，蒋建华教授与吴肖肖助理教授为论文通讯作者。香港科技大学（广州）侯波教授、香港大学林志康博士等合作者亦对本研究作出重要贡献。
在光子系统中，谐振腔及其腔模是实现激光辐射、强光–物质相互作用、非线性增强以及高灵敏传感等功能的关键。然而，传统光学腔体普遍面临三方面瓶颈：1) 腔模对制造误差高度敏感，微小几何偏差即可引起共振频率漂移与品质因数下降；2) 腔体往往支持多重本征模，光谱拥挤，不利于稳定单模与单频输出；3) 模场局域体积有限，限制了功率承载能力及器件耦合效率。因此，发展一种同时具备高鲁棒性、天然单模特性及良好模态隔离能力的新型腔态具有重要意义。
近年来发展的拓扑腔态为突破上述限制提供了新思路。其中，狄拉克涡旋态（Dirac Vortex Mode, DVM）作为 Jackiw–Rossi 零模在光子体系中的类比实现，能够在大尺度结构中形成高度局域、能谱上孤立的单一腔模，表现出优异的光谱隔离性和对结构缺陷与参数扰动的内禀鲁棒性。研究表明，基于狄拉克涡旋态的拓扑腔体可实现低阈值、稳定单模的微型激光输出，显示出在高性能光子器件与集成光学等领域的重要应用潜力。
近期研究报道了源自开放的DVM谐振腔并携带轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）的涡旋光束辐射，即使谐振腔的光子带隙中仅有一个孤立的DVM模式，由此引出了一个基础物理问题：在满足互易性的体系中，一个单一、非简并的拓扑模态为何能够产生具有净 OAM 的辐射输出。相关研究指出，DVM可等效视为具有相反自旋或轨道角动量分量的模态叠加，但这一描述所对应的物理图像及其相关机理尚缺乏直接的实验验证。
为此，本工作围绕这一核心问题进行了相应的理论分析和实验研究，揭示了开放的DVM腔态辐射的自旋–轨道角动量耦合的物理机制并直接观测了辐射中不同自旋分量（圆偏振）锁定的正负OAM。此前，产生 OAM 的常规方法主要依赖于人为设计的几何相位或实空间相位奇点。相比之下，本研究中观测的OAM辐射基于内禀产生机制，起源于Kekulé 调制诱导的复质量涡旋所形成的狄拉克涡旋态，其中自旋–轨道角动量关联来自谷间耦合与自旋–谷锁定的相互作用，且可通过非周期凯库勒调制的绕转方向进行切换调控。
此外，近期激光应用中实现结构化辐射光束常依赖腔体各向异性或非厄米工程，而本工作所采用的机制仅涉及受拓扑保护的单一腔模，不依赖增益–损耗调控或多模干涉，为单模 OAM 辐射尤其是高阶OAM辐射提供了一种新颖的实现路径。
图1：(a) 自旋动量锁定DVM辐射机制示意图：Kekulé调制超表面上的DVM能够辐射自旋锁定（spin-locked）的 OAM 光子。(b) 未引入 Kekulé 调制时的初始超表面结构：由一块介质薄板构成，厚度为 h = 0.762 mm（相对介电常数
= 3.5），其表面覆盖周期性金属图案，形成晶格常数为 a = 5 mm 的三角晶格。绿色阴影区域表示原始晶胞（primitive unit cell）；黄色阴影区域表示放大晶胞（enlarged unit cell）。插图给出了其局部放大图，其中l = 3 mm，并且
。(c) 基于初始原始晶胞计算得到的光子能带结构。黄色圆点标示了位于 K± 谷处的 Dirac 点（对应频率 16.94 GHz）。(d) 超表面上 Y 形金属图案所施加的δd调制（δd-modulation）与 δθ微扰（δθ-perturbation）的示意图。(e)当 Kekulé 调制相位
图2：在具有
图3：对DVM 的涡旋光束远场辐射的观测。（a）与（b）分别为通过仿真（z = 20 mm）和实验（z = 60 mm）获得的左旋圆偏振（LCP）分量远场辐射电场（幅值）分布。甜甜圈形（donut-shaped）的场分布表明产生了涡旋光束辐射。（d）–（e）与（b）–（c）类似，但对应右旋圆偏振（RCP）分量。仿真与实验结果分别在 16.94 GHz 与 16.87 GHz 频率下获得。绿色与黑色比例尺均表示20 mm。
图4：对具有
图5：在对应
本研究主要揭示了狄拉克涡旋腔中 SOAM 锁定的 OAM 辐射的产生，源于由谷物理主导的逐级机制。线宽 δd的Kekulé调制将原本不等价的 K+与 K−谷折叠至 Γ 点，从而使得谷间耦合得以发生，并促成 DVM 内部谷成分的杂化。由于每个谷具有内禀的自旋–谷锁定特性，杂化后的 DVM 因而获得了清晰定义的、与自旋相关的谷特征。值得强调的是，这种谷–自旋锁定由 Kekulé 调制相位的手性（绕转方向）所决定，因此通过反转调制手性即可实现谷–自旋锁定构型的确定性切换。进一步地，在我们的超表面平台中，每个谷还携带内禀的方位角相位绕转，从而产生谷–OAM 锁定。其结果是，DVM 的远场辐射表现出稳健的自旋–OAM 锁定：相反的 SAM 分量分别对应符号相反的 OAM 态。此外，δθ的Kekulé扰动为 DVM 的辐射引入了更高阶的自由度，使得在不改变腔体单模本质的前提下，产生携带高阶OAM且SOAM锁定的辐射。该框架阐明了为何处于带隙中、孤立的 DVM 尽管是单模态，仍能辐射自旋分辨的涡旋光束。尤为重要的是，所提出的Kekulé 工程为按需产生高阶OAM光束提供了一种通用平台，可从微波扩展至光学频段，并为片上拓扑OAM器件的发展开辟了新方向。
本研究受国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院百人计划、广东高校创新计划、广州科技项目、广东省基础与应用基础研究基金等项目的资助。香港科技大学（广州）波功能超材料中央实验室（WFMRF）亦为本研究的实验提供支持与帮助。
参考文献
[1] Li, Haitao, et al. Unveiling spin-orbital angular momentum locking in photonic Dirac vortex cavities. Laser & Photonics Reviews, e02844. (2026).
http://doi.org/10.1002/lpor.202502844
供稿：课题组
