光學超構表面+MEMS：可切換渦旋激光器

圖：渦旋光的(a)光場強度和(b)傳輸軌跡

近日，Science子刊《Science Advances》發(fā)表題目為“MEMS-metasurface?enabled mode-switchable vortex lasers”(基于MEMS超構表面的模式可切換渦旋 激光器)的學術論文。論文由北京郵電大學信息光子學與光通信全國重點實驗室聯(lián)合南丹麥大學納米光學中心、挪威科技工業(yè)研究所共同完成。第一作者為北京郵電大學博士生王傳碩，北京郵電大學電子工程學院徐坤教授、桂麗麗教授與南丹麥大學納米光學中心Sergey I. Bozhevolnyi院士(丹麥自然科學院和丹麥工業(yè)技術科學院兩院院士)、孟超博士為本文通訊作者。

此項研究，主要聚焦渦旋光束領域，目的是通過將光學超構表面(OMS)與壓電微機電系統(tǒng)(piezoelectric MEMS)技術相結合，研發(fā)一種模式可重構的動態(tài)渦旋光纖激光器。

提到“渦旋光”，你可能感到很陌生，那么你一定注意到了，生活中有很多現(xiàn)象都與“旋轉”息息相關。比如水流入下水池時形成的旋轉漩渦，或者熱帶氣旋、龍卷風，它們的力量都源于旋轉。在光學領域，有一種擁有旋轉特性的光——渦旋光。與普通的光不同，渦旋光具有獨特的螺旋相位輪廓。在先進光學成像、光學操縱、激光加工等領域展現(xiàn)出了巨大的應用潛力。傳統(tǒng)上，渦旋光束的生成通常依賴于復雜且笨重的光學元件，難以滿足現(xiàn)代光學系統(tǒng)對輕量化和緊湊性的需求。因此，開發(fā)小型化、高效且易于集成的光學元件，成為了當前渦旋光束研究領域的一大熱點。

光學超構表面(OMS)則為實現(xiàn)這些目標提供了全新思路。它猶如一塊“光的魔法拼圖”，由納米級的“拼圖塊”組成，每一小塊都能精確地操控光的幅度、相位和偏振，從而實現(xiàn)光的轉彎、聚焦、變色等奇妙效果。相比傳統(tǒng)光學元件，它不僅超薄輕便，而且功能強大，仿佛是光學世界的“魔術師”，將人類對光的控制推向了微觀尺度的新時代。

在探索如何基于OMS從源頭構建用戶友好的結構光源問題上，北郵科研團隊依托長期以來在微納光場調控和光纖激光器領域的深厚科研積累，研發(fā)成功了將OMS與壓電微機電系統(tǒng)(piezoelectric MEMS)集成的平臺，通過電壓驅動MEMS微鏡來動態(tài)、高效地調制MEMS-OMS的光學響應，并將其集成到光纖激光腔內，最終實驗實現(xiàn)了一種模式可切換的新型渦旋激光源。與傳統(tǒng)的單一模式輸出的靜態(tài)激光器相比，這種具有模式可重構特性的動態(tài)激光器可大大提高和豐富激光光源的靈活性和功能性，將有望為光通信、超分辨成像、微粒操控以及激光加工等領域帶來更多可能性。

圖.動態(tài)可重構結構光源的設計。(A)MEMS-OMS的設計原理;(B)激光器的結構示意圖。

具體地，MEMS-OMS由在SiO2基板上加工的OMS微納結構和由電壓驅動的MEMS反射鏡組裝而成。其光學響應受控于OMS納米棒和MEMS反射鏡復合結構內部的等離激元/法布里-珀羅耦合諧振。通過對MEMS反射鏡施加電壓Vm可以精確控制其和OMS層之間的氣隙Ta，實現(xiàn)OMS層功能的高效關閉(普通反射鏡)和開啟(渦旋半波片)，從而獲得高斯光束和攜帶軌道角動量(OAM)的渦旋光束的動態(tài)切換。

將MEMS-OMS集成到一個由光纖鏡、MEMS-OMS和部分透射的輸出耦合鏡構成的V形光纖激光腔中，僅通過切換驅動電壓，即可在腔內對光場直接調制并生成具有可重構模式的結構光束，開創(chuàng)了可調諧激光光源設計的新范式。

OMS通過電子束光刻、剝離等工藝制備，與MEMS微鏡組裝后的MEMS-OMS在兩個工作狀態(tài)下具有>80%的工作效率。將其集成到激光腔后，在Vm1 = 4.4 V和Vm2 = 6.8 V時，MEMS-OMS分別可以在鏡面反射和渦旋半波片的兩個操作狀態(tài)之間重新配置，從而在1030 nm波長附近實現(xiàn)高斯和渦旋模式的快速切換(~100 μs)，渦旋光束純度可達>95%。

圖.MEMS-OMS的表征和激光器的輸出特性。(A)OMS的掃描電鏡圖;(B)組裝的MEMS-OMS的細節(jié)展示;(C)模擬的兩偏振通道的反射率和對比度隨Ta的變化;(D)MEMS-OMS的響應時間;(E)高斯和渦旋光束的強度分布和自干涉圖樣。

當問及該項研究的應用場景，研發(fā)團隊成員王傳碩同學說到：“腔內MEMS-OMS的激光器系統(tǒng)為產生高純度快速可切換激光模式提供了一種源頭上的解決方案。這一系統(tǒng)具有廣泛的潛在應用場景。例如，在先進光學成像中，我們可以通過關閉和打開螺旋相位輪廓，在普通明場成像(下圖第一行)和二維邊緣檢測成像(下圖第二行)之間實現(xiàn)快速切換。這種成像技術在增強現(xiàn)實(AR)中能夠提供更真實的深度感知與環(huán)境模擬，在生物醫(yī)學領域，為精準治療和高精度檢測提供了強有力的技術支持。”

在先進光學成像中的應用，圖中為洋蔥表皮細胞

通過持續(xù)的技術優(yōu)化和與其他領域的深度融合，這項技術有望推動更加個性化和智能化的應用創(chuàng)新。無論是在提升日常生活中的顯示效果、提供更加精準的醫(yī)療治療，還是在激光加工中提高效率，它都將顯著改變我們的生活方式，并最終轉化為切實改善生活質量的實際應用。

審核編輯 黃宇