Cobolt激光器助力实现液晶拓扑微腔轨道角动量激光

近日，波兰华沙大学与法国克莱蒙奥弗涅大学等团队在《Science Advances》上发表重要研究成果，首次在液晶拓扑微腔中实现了基态轨道角动量（OAM）激光输出。该研究中，Cobolt Tor XS激光器作为核心激发光源，为关键的光致发光与激光实验提供了稳定可靠的泵浦激励。

携带轨道角动量的激光，为什么重要？

携带轨道角动量（OAM）的激光束，因其螺旋波前结构而具有独特的物理性质，在光镊操控、超高速光通信和量子计算等领域有着重要的应用前景。然而，传统产生OAM光束的方法依赖体光学元件来给入射光束"印上"所需的相位分布，这些方法既不可扩展，也难以调谐，还对入射光束有严格限制。

因此，如何实现片上OAM激光器，一直是光子学领域的重要挑战。

拓扑缺陷"扭子"：自组装的光子陷阱

这项研究选择了一条独特的技术路径——利用液晶中的拓扑缺陷。

图1手性向列相液晶拓扑子 （A）内嵌拓扑子结构的染料掺杂光学微腔示意图。垂直偏振态（绿色双向箭头）沿 y 轴定义（与光谱仪狭缝平行），水平偏振态（紫色双向箭头）沿 x 轴定义（与狭缝垂直）。 （B）基本拓扑子的指向矢分布示意图。 （C）至（E）不同薄膜厚度 d（局部微腔厚度）下，拓扑子的正交偏光白光透射图像。 （F）受限在液晶微腔内的单个拓扑子的动量分辨透射光谱；（G）空间分辨透射光谱。

研究团队制备了一种特殊的光学微腔：由两个基于TiO₂/SiO₂的分布式布拉格反射镜构成，腔内填充垂面取向的液晶基质。在取向层施加结构扰动的区域，手性拓扑缺陷会自发形成，这种缺陷被称为**"扭子"（toron）**。扭子的微观结构可以理解为一个双扭曲圆柱弯曲成环面，具有霍普夫纤维化的拓扑特征。

图 2 液晶微腔中单拓扑子束缚光子态的光谱与偏振特性 实验结果 [(A) 至 (N)]：分别为第一激发态 (A 至 C) 与基态 (D 至 F) 对应的动量空间斯托克斯参数 S₀、S₁、S₂分布；动量分辨 (G) 与空间分辨 (H) 透射光谱，其中黑色与白色箭头分别指示第一激发态与基态的能量；分别为第一激发态 (I 至 K) 与基态 (L 至 N) 对应的实空间斯托克斯参数 S₀、S₁、S₂分布。 理论结果 [(O) 至 (BB)]：分别为前两个简并激发态 (O 至 Q) 与基态 (R 至 T) 对应的动量空间斯托克斯参数 S₀、S₁、S₂分布；分别沿 kᵧ=0 与 y=0 方向的动量 (U) 与实空间 (V) 强度光谱；分别为前两个简并激发态 (W 至 Y) 与基态 (Z 至 BB) 对应的实空间斯托克斯参数 S₀、S₁、S₂分布。

这些扭子就像天然的光子陷阱，能够束缚一系列局域光学态，形成束缚势。更令人惊讶的是，研究团队发现，扭子内部空间变化的液晶分子取向产生了等效的非阿贝尔规范场，正是这个规范场驱动了一种拓扑转变——基态与激发态的顺序发生了反转。

在常规物理系统中，基态通常是"最简单"的状态——没有节点、没有角动量。但在这项研究中，由于非阿贝尔规范场的作用，基态竟然携带了非零的轨道角动量，而通常意义上的"正常"基态反而被推到了更高的能量位置。

研究团队通过偏振分辨的动量空间和实空间透射光谱，对单个扭子束缚的光子态进行了详细的表征。他们观察到：基态在动量空间中心呈现强度极小值，而第一激发态在中心呈现强度极大值——这与常规的"节点定理"预期恰好相反。

电场可调：拓扑相变的动态操控

除了OAM激光的首次实现，该工作还展示了液晶体系独特的可调谐优势。通过在透明ITO电极上施加交流电压，可以动态压缩扭子的尺寸，从而调控其能谱结构。

图 3 携带轨道角动量的激光发射 （A）激光阈值以下、（B）激光阈值以上测得的动量分辨光致发光光谱。 （C）单个拓扑子的水平偏振（粉色，H）与垂直偏振（绿色，V）激光信号叠加后的实空间图像。 （D）、（E）分别为右旋圆偏振（σ⁺）与左旋圆偏振（σ⁻）下采集的干涉图样。 方向相反的叉状图样表明，两种圆偏振态携带符号相反的轨道角动量（OAM）。 比例尺：1.5 μm。

实验发现，当扭子直径较小时（约3.1 μm），能态呈现"正常"排序，基态无OAM；随着扭子尺寸增大（约6.1 μm），系统经历了拓扑转变，基态变为携带OAM的状态。理论计算与实验结果在转变区域高度吻合，充分验证了这一拓扑转变的物理本质。

不过，研究团队也指出，减小扭子尺寸并不能实现从拓扑非平庸态到平庸态的激光切换，因为这一过程会同时降低两个模式的品质因子，激光在拓扑转变发生之前就已经消失了。

这项工作实现了三大突破：首次在液晶拓扑微腔中实现了基态OAM激光；揭示了空间变化双折射等效非阿贝尔规范场驱动拓扑转变的物理机制；展示了电场调控拓扑相变的动态操控能力。

研究团队在论文中展望，这项研究为非阿贝尔规范场在光子系统中的基础研究和潜在应用开辟了广阔前景。而对于Cobolt激光器而言，这篇顶刊论文再次证明了其在前沿光子学研究中的可靠性和不可替代性——当科学家需要用精确的光脉冲去激发微观世界中的拓扑奇观时，Cobolt始终是值得信赖的伙伴。

Cobolt激光器

为了验证基态确实携带轨道角动量，研究团队需要在实验中实现并观测激光发射。Cobolt Tor XS激光器在这一关键环节发挥了不可替代的作用。

该激光器是一款调Q二极管泵浦固体激光器，中心波长532 nm，脉冲宽度约2 ns。研究团队使用它作为泵浦光源，激发掺有激光染料Pyrromethene 580的液晶微腔样品，从而实现了单个扭子态的激光发射。

实验结果显示：在泵浦能量低于激光阈值时，光谱中最强的信号来自扭子周围区域的微腔模式，基态的自发发射信号较弱；而当泵浦能量超过阈值后，发射信号完全由基态激光主导，其在k=0处呈现强度极小值——这正是OAM光的标志性特征。

进一步地，研究团队对单个扭子的激光信号进行了干涉测量。在σ⁺和σ⁻圆偏振下，分别观察到了叉形干涉条纹，且两种偏振下的条纹方向恰好相反，这直接证实了激光基态在两个正交圆偏振分量中携带了符号相反的轨道角动量。

简言之，正是Cobolt Tor XS激光器提供的稳定、精确的纳秒脉冲激励，才使得研究团队能够跨越自发辐射到受激辐射的阈值，将扭子微腔中的OAM基态"点亮"为可观测的激光输出，从而完成了对拓扑转变现象的完整实验验证。

参考论文： "Ground-state orbital angular momentum lasing from liquid crystal torons embedded in a microcavity," Science Advances(2026).https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb6167