基于拉盖尔-高斯光束三厄米-高斯模分解与多光束干涉的可扩展光学涡旋阵列实现及58兆瓦峰值功率实验验证

《Light-Science & Applications》：Scalable optical vortex arrays enabled by the decomposition of Laguerre–Gaussian beams into three Hermite–Gaussian modes and multibeam interference

针对现有光学涡旋阵列（OVA）生成方法功率低、可扩展性受限或复杂度高的瓶颈，研究人员提出结合厄米-高斯到拉盖尔-高斯模式转换重构与多光束干涉的新方法，采用紧凑衍射光学元件（DOE）-螺旋相位板（SPP）-4f傅里叶光学系统，实验生成含3070个相干涡旋的三角形晶格，峰值功率达58兆瓦，较传统系统在涡旋数量和峰值功率上均实现三个数量级提升，为大尺度高功率涡旋阵列生成树立新标杆。

　　

光，这个我们熟悉又充满奥秘的存在，从19世纪人们发现干涉图案开始，人类对光场的控制就从未停止。后来，科学家们识别出了波场中的相位奇点——光学涡旋（OV），还发展出了厄米-高斯（HG）模、拉盖尔-高斯（LG）模等高阶模式。20世纪90年代，LG模中轨道角动量（OAM）的发现更是一个里程碑，这种带有螺旋波前和中心奇点的模式，为超分辨显微镜、手性结晶、光操控和微结构加工等领域打开了全新的大门。

既然单个光学涡旋如此有用，科学家们自然想到把多个涡旋排列成阵列，也就是光学涡旋阵列（OVA），这样就能实现并行处理，比如在生物和胶体粒子分选中大显身手。可是，现有的OVA生成方法却各有各的“短板”：基于空间光调制器（SLM）的动态全息术虽然可以重构，但功率天生受限，通常只能在亚瓦级功率下产生几十个涡旋；基于固体基底的静态衍射光学元件（DOE）虽然稳定性和抗损伤能力更强，却不能重构，可扩展性也有限；超表面虽然能实现紧凑的OVA生成，但在功率处理和灵活性上同样受限。

难道就没有一种方法既能兼顾高功率、大规模，又能保持一定的稳定性吗？其实，早在激光器诞生之前，基于干涉的方法就被认为是一种很有前景的替代方案，因为它在理论上没有图案数量的限制。然而，长期以来，如何在高功率下大规模生成螺旋干涉图案一直未能在实验中实现。直到这篇发表在《Light-Science》上的研究，科学家们重新审视了LG模的形成过程，对30年来未曾改变的LG模由HG模转换的表示进行了重新表述，将其分解为三个旋转60°的HG模的组合，再结合多光束干涉框架，终于突破了这一瓶颈。

为了验证这一新方法，研究人员采用了几个关键技术方法：首先通过数值模拟（使用Wolfram Mathematica软件）验证HG模与双光束干涉图案（IP模式）的等效性，以及OVA模式的电场分布和强度特性；其次搭建了紧凑的DOE-SPP-4f傅里叶光学系统，使用532 nm连续波（CW）二极管激光器或纳秒Nd:YAG激光器（SHG）作为光源，通过DOE产生六束一级光束，经4f系统关联后，利用SPP引入π/3相位差，在输出平面形成OVA；最后通过CMOS相机成像观察OVA强度分布，并与平面参考波干涉验证螺旋波前，还在铜靶上进行烧蚀实验验证轨道角动量转移。

接下来看看具体的研究结果。在“HG?LG模式分解与基于干涉的框架”部分，研究人员首先回顾了传统的HG到LG模式转换，即HG_0,1和HG_1,0模以π/2相位差叠加生成LG_0,1模。但他们发现这种传统表示不适合大规模OVA生成的干涉方法，于是提出了新的分解方式：LG_0,1模可以表示为三个旋转0°、+60°、-60°的HG_0,1模的相干叠加，相位差分别为0、+π/3、-π/3。通过数值模拟验证了这三个旋转HG模与对应的三个双光束干涉图案（IP模式）在电场分布上几乎完全等效（在y≤0.20 μm范围内场比误差小于±0.035%）。进一步将三个对称IP模式相干组合，通过六光束干涉（三对光束，方位角差Δφ=60°，相位差Δα=π/3）生成了OVA₁模式，其拓扑电荷l=1，涡旋呈三角形晶格排列，坐标满足(x,y)=(aΛ + b(1/2)Λ, b(√3/2)Λ)，其中Λ=4π/(√3 k sinθ)。模拟结果显示OVA₁的强度分布与LG_0,1模类似，中心存在明显的相位奇点，涡旋核接近圆形，且具有六重对称性。

在“OVA的实验验证及其强度奇点”部分，研究人员搭建了DOE-SPP-4f光学系统。使用532 nm CW激光器时，无SPP时生成OVA₀模式（Δα=0），为无奇点的六边形阵列；插入SPP后生成OVA₁模式（Δα=π/3），形成带奇点的甜甜圈状光束三角形晶格，通过未裁剪图像统计得到约3070个涡旋，远超以往研究。通过与平面参考波干涉，观察到新月形干涉条纹，证实所有涡旋具有均匀的拓扑电荷l=1，干涉图案沿传播方向以52.9度/毫米的速率旋转，对应螺旋间距p=6.7 mm。使用纳秒Nd:YAG激光器（SHG）进行铜靶烧蚀实验时，OVA₁模式在涡旋奇点处形成了手性纳米针结构，而OVA₀模式则没有，且手性方向与拓扑电荷l一致，证明了轨道角动量的转移。该过程中单脉冲能量28.8 mJ，峰值功率5.76 MW，每个涡旋的单脉冲能量仅6.38 μJ，相比单OV烧蚀能量降低了三个数量级。

在讨论部分，研究人员强调了这项研究的突破。他们的方法实现了超过3000个涡旋在58 MW峰值功率下的生成，相比SLM基OVA（几十个涡旋，~0.6 W）和超表面转换器（40 mW），在涡旋数量和功率上均实现了三个数量级的提升。该系统还与钛宝石飞秒激光器兼容，预计可产生高达65 GW的OVA峰值功率。此外，系统具有良好的可扩展性，使用25 mm焦距透镜时，干涉角可达26.9°，在532 nm波长下周期可降至1.36 μm，每平方毫米可产生208,000个涡旋，是SLM或超表面方法的1000倍。系统的总角动量可通过控制Δα和偏振来调节，且由于所有光束来自同一DOE，相对相位稳定，无需主动相位控制。

这项研究的意义不言而喻。它不仅为大尺度、高功率涡旋阵列生成树立了新标杆，还为并行激光加工、宽带手性光子学、大规模并行生物光子学以及量子和非线性光子学的探索提供了强大的工具。未来，这种方法还有望扩展到电子束和中子等波的领域，为更多学科带来新的可能。