近日，Optics Letters 報道了南開大學劉洪亮副教授團隊利用鈮酸鋰中的混合導波結構生成不同拓撲電荷的渦旋光束研究獲得的新成果，相關工作以“Multi-wavelength applicable waveguide vortex beam generator in lithium niobate processed by femtosecond laser direct writing”為題發(fā)表于Optics Letters (2025, 50, 12, 3974–3977.)。作者展示了一種利用鈮酸鋰中的混合導波結構生成不同拓撲電荷的渦旋光束的新型途徑，且該器件可在不同波長下工作。這種基于飛秒激光直寫技術的相位調制策略為渦旋光束的激發(fā)和調制提供了強大工具，且能夠精確控制晶體內(nèi)的折射率改性，在工作波長的選擇方面具有更高的靈活性，制造成本低且設計緊湊。

該工作利用的飛秒激光直寫系統(tǒng)中采用了JCOPTIX提供的聚焦物鏡進行加工，通過共聚焦拉曼光譜討論了不同種軌跡的形成機理并驗證了加工光波導的準確性，驗證了結構具備對不同波長入射光的進行選擇性拓撲核數(shù)的渦旋光激發(fā)的性質。

攜帶軌道角動量（OAM）的光束是一種結構光，其特征在于具有螺旋相位波前指數(shù)，由于其相位分布的螺旋結構、中心存在相位奇點以及光學場呈圓形且中心光學場強度為零，OAM光束被稱為渦旋光束。無限拓撲電荷與固有正交性使其在經(jīng)典與量子領域均具備增強信息處理的潛力。渦旋光束的應用包括微小顆粒的捕獲與操控、光通信、超分辨率成像及量子存儲。因此，對渦旋光束的研究興趣日益增長，催生了多種生成方法，如叉形光柵、q相位板、螺旋相位板等。在光學器件微型化的趨勢下，縮小渦旋光束發(fā)生器的尺寸以應用于集成光學領域是一個重要課題。盡管已提出了一些微型渦旋光束生成器，但開發(fā)適用于多波長芯片內(nèi)激發(fā)的渦旋光束生成器仍是一個極具前景的研究領域。 飛秒激光直寫技術已經(jīng)在晶體材料表面和內(nèi)部實現(xiàn)了多種功能的光波導器件的制備。相比與傳統(tǒng)的制造技術，飛秒激光直寫技術由于其非接觸和無掩模制造、高分辨率和高效的優(yōu)點，已被證明是一種在各種透明材料中制造波導的強大而獨特的技術。飛秒激光直寫技術為渦旋光束發(fā)生器的微型化提供了獨特解決方案。與光刻技術或更系統(tǒng)化的超表面加工技術相比，基于飛秒激光直寫的波導寫入技術在設計和加工渦旋光束生成裝置時，無疑是一種更具成本效益且靈活的方法。 為了實現(xiàn)適用于多波長芯片內(nèi)激發(fā)的渦旋光束生成器，研究人員通過綜合分析加工結構，系統(tǒng)測量折射率改性，綜合分析后得到了類似渦旋相位板的混合波導陣列結構。基于渦旋相位調制的設計理念與一類波導的穩(wěn)定折射率改性相結合，通過階梯遞增長度的一類波導結構，理論上能夠實現(xiàn)對多種波長入射光的渦旋相位發(fā)生。此外，由于鈮酸鋰中一類波導的偏振區(qū)分相應，使得結構可以激發(fā)偏振純度較高的渦旋光束。

通過飛秒激光直寫加工的混合波導陣列的示意圖如圖1所示。整體結構由階躍的一類波導陣列與雙包層波導共同組成。階躍的一類波導陣列實現(xiàn)了渦旋相位波前的相位調制。雙包層波導結構能夠實現(xiàn)光場的束縛傳播，結合緊湊結構的約束條件，從而實現(xiàn)激光不同位置的相位調制。因此，高斯光束經(jīng)過相位調制可轉化為渦旋光束，從而為多波長渦旋光束生成提供可行解決方案。此外，一類波導在整個雙包層波導空間中展現(xiàn)出高占空比，確保了從端面發(fā)出的光學渦旋的高均勻性。

為了評估結構設計的可行性，采用時域有限差分法對光場強度分布進行模擬。基于結構設計邏輯，可通過一個簡單方程得到結構對應的最大光程差：(Lmax - Lmin)?n = ?l。將參數(shù)代入方程后得出?l=1064nm，我們可將此結果抽象為結構將入射光的波前逐步拉伸至 1064nm的長度。因此，選擇1064nm波長的光作為結構初始計算驗證的光源。為保證與加工中的波導特性一致，數(shù)值模擬嚴格設計為施加 TM 偏振光。當器件被1064nm入射光照射時，其渦旋光束遠場的強度分布如圖 2a所示。在此情形下，渦旋光束的拓撲荷為1，這也反映在圖 2c的相位分布中。電場振蕩為相位變化映射提供了另一種方式，振蕩的實部分量表現(xiàn)出象限對稱性，且沿方位角坐標系存在兩個強度極值，與渦旋光束的基本特性一致。

為了便于對模擬結果進行分析和討論，選擇波長為532 nm的入射光作為次級測試光，以檢測該結構的多波長適用性。因為入射光在532 nm波長下具有階梯狀的附加光程差，其最大值為?l=1064 nm，因此可以在單個波前上實現(xiàn)兩次扭曲。因此，與1064 nm波長的入射光相比，拓撲荷數(shù)翻倍。相應結果如圖2b、2d和2f所示。對電場振蕩實部強度分布和相位分布（圖2d和2f）的綜合分析驗證了拓撲核數(shù)翻倍的相位奇異性條件，這通過光束橫截面上雙2π相位旋轉得到證實。

渦旋光激發(fā)與對應拓撲核檢測

混合波導渦旋光束發(fā)生器通過配備1064 nm和532 nm波長連續(xù)激光器的端耦合系統(tǒng)進行了表征。為減輕渦旋光束固有發(fā)散性和環(huán)境敏感性帶來的影響，系統(tǒng)性地在檢測路徑中集成了聚焦透鏡。 如圖3ab所示，光束質量分析儀檢測到了遠場渦旋光束聚焦后的光束輪廓，該渦旋光束由532 nm和1064 nm入射光的波導陣列激發(fā)。盡管透鏡聚焦后渦旋的整體銳度有所提升，但渦旋光束攜帶的軌道角動量保持恒定。顯然，透鏡聚焦后渦旋光束的強度分布與模擬結果相似。圖3c和3d展示了柱面透鏡聚焦對由波導陣列產(chǎn)生的光學渦旋的測量結果，入射光波長分別為532 nm和1064 nm。實驗測量明確表明，由波導陣列產(chǎn)生的渦旋光束的拓撲荷數(shù)隨入射光波長改變的變化與仿真結果一致。

這項工作通過飛秒激光誘導的折射率調制，在鈮酸鋰中制備混合波導陣列結構，利用光程差與折射率變化的耦合關系，實現(xiàn)了拓撲電荷隨入射波長的動態(tài)調控。具體而言，通過理論設計與實驗驗證，驗證了該結構在不同入射光下產(chǎn)生對應拓撲核數(shù)渦旋光的能力，該結構實現(xiàn)了渦旋光束在片內(nèi)的激發(fā)。基于波導內(nèi)折射率增量隨波長變化的強穩(wěn)定性，使得基于相位調制的渦旋光生成機制可推廣至多波長場景——不同入射波長對應不同拓撲電荷數(shù)。本工作利用飛秒激光直寫技術的加工精度與鈮酸鋰晶體的光學特性，構建了兼具波長兼容性與拓撲電荷可調性的渦旋光發(fā)生系統(tǒng)，為多波長光通信、光學操控及量子信息處理等領域提供了集成化解決方案。

南開大學電子信息與光學工程學院2023級碩士研究生龐博寧為本文第一作者，劉洪亮副教授為本文通訊作者。南開大學博士研究生艾斯文、碩士研究生于夢涵、碩士研究生丁仕晗、碩士研究生楊肖康對本文亦有重要貢獻。研究工作得到國家自然科學基金項目（12274236）的支持。

作者特別感謝南京晶萃光學科技有限公司（JCOPTIX）的光學元件支持。