基于MEMS超構(gòu)表面的模式可切換渦旋激光器

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(gòu)表面的模式可切換渦旋 激光器）的學(xué)術(shù)論文。論文由北京郵電大學(xué)信息光子學(xué)與光通信全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合南丹麥大學(xué)納米光學(xué)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(xué)博士生王傳碩，北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院徐坤教授、桂麗麗教授與南丹麥大學(xué)納米光學(xué)中心Sergey I. Bozhevolnyi院士（丹麥自然科學(xué)院和丹麥工業(yè)技術(shù)科學(xué)院兩院院士）、孟超博士為本文通訊作者。

此項(xiàng)研究，主要聚焦渦旋光束領(lǐng)域，目的是通過(guò)將光學(xué)超構(gòu)表面（OMS）與壓電微機(jī)電系統(tǒng)（piezoelectric MEMS）技術(shù)相結(jié)合，研發(fā)一種模式可重構(gòu)的動(dòng)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(zhuǎn)”息息相關(guān)。比如水流入下水池時(shí)形成的旋轉(zhuǎn)漩渦，或者熱帶氣旋、龍卷風(fēng)，它們的力量都源于旋轉(zhuǎn)。在光學(xué)領(lǐng)域，有一種擁有旋轉(zhuǎn)特性的光——渦旋光。與普通的光不同，渦旋光具有獨(dú)特的螺旋相位輪廓。在先進(jìn)光學(xué)成像、光學(xué)操縱、激光加工等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。傳統(tǒng)上，渦旋光束的生成通常依賴于復(fù)雜且笨重的光學(xué)元件，難以滿足現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)對(duì)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(xué)元件，成為了當(dāng)前渦旋光束研究領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。

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圖：渦旋光的（a）光場(chǎng)強(qiáng)度和（b）傳輸軌跡

光學(xué)超構(gòu)表面（OMS）則為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)提供了全新思路。它猶如一塊“光的魔法拼圖”，由納米級(jí)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(shí)現(xiàn)光的轉(zhuǎn)彎、聚焦、變色等奇妙效果。相比傳統(tǒng)光學(xué)元件，它不僅超薄輕便，而且功能強(qiáng)大，仿佛是光學(xué)世界的“魔術(shù)師”，將人類對(duì)光的控制推向了微觀尺度的新時(shí)代。

在探索如何基于OMS從源頭構(gòu)建用戶友好的結(jié)構(gòu)光源問(wèn)題上，北郵科研團(tuán)隊(duì)依托長(zhǎng)期以來(lái)在微納光場(chǎng)調(diào)控和光纖激光器領(lǐng)域的深厚科研積累，研發(fā)成功了將OMS與壓電微機(jī)電系統(tǒng)（piezoelectric MEMS）集成的平臺(tái)，通過(guò)電壓驅(qū)動(dòng)MEMS微鏡來(lái)動(dòng)態(tài)、高效地調(diào)制MEMS-OMS的光學(xué)響應(yīng)，并將其集成到光纖激光腔內(nèi)，最終實(shí)驗(yàn)實(shí)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(gòu)特性的動(dòng)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(lǐng)域帶來(lái)更多可能性。

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圖.動(dòng)態(tài)可重構(gòu)結(jié)構(gòu)光源的設(shè)計(jì)。（A）MEMS-OMS的設(shè)計(jì)原理；（B）激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體地，MEMS-OMS由在SiO2基板上加工的OMS微納結(jié)構(gòu)和由電壓驅(qū)動(dòng)的MEMS反射鏡組裝而成。其光學(xué)響應(yīng)受控于OMS納米棒和MEMS反射鏡復(fù)合結(jié)構(gòu)內(nèi)部的等離激元/法布里-珀羅耦合諧振。通過(guò)對(duì)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(shí)現(xiàn)OMS層功能的高效關(guān)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(dòng)量（OAM）的渦旋光束的動(dòng)態(tài)切換。

將MEMS-OMS集成到一個(gè)由光纖鏡、MEMS-OMS和部分透射的輸出耦合鏡構(gòu)成的V形光纖激光腔中，僅通過(guò)切換驅(qū)動(dòng)電壓，即可在腔內(nèi)對(duì)光場(chǎng)直接調(diào)制并生成具有可重構(gòu)模式的結(jié)構(gòu)光束，開創(chuàng)了可調(diào)諧激光光源設(shè)計(jì)的新范式。

OMS通過(guò)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(gè)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(shí)，MEMS-OMS分別可以在鏡面反射和渦旋半波片的兩個(gè)操作狀態(tài)之間重新配置，從而在1030 nm波長(zhǎng)附近實(shí)現(xiàn)高斯和渦旋模式的快速切換（~100 μs），渦旋光束純度可達(dá)>95%。

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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(xì)節(jié)展示；（C）模擬的兩偏振通道的反射率和對(duì)比度隨Ta的變化；（D）MEMS-OMS的響應(yīng)時(shí)間；（E）高斯和渦旋光束的強(qiáng)度分布和自干涉圖樣。

當(dāng)問(wèn)及該項(xiàng)研究的應(yīng)用場(chǎng)景，研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員王傳碩同學(xué)說(shuō)到：“腔內(nèi)MEMS-OMS的激光器系統(tǒng)為產(chǎn)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(yīng)用場(chǎng)景。例如，在先進(jìn)光學(xué)成像中，我們可以通過(guò)關(guān)閉和打開螺旋相位輪廓，在普通明場(chǎng)成像（下圖第一行）和二維邊緣檢測(cè)成像（下圖第二行）之間實(shí)現(xiàn)快速切換。這種成像技術(shù)在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）中能夠提供更真實(shí)的深度感知與環(huán)境模擬，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，為精準(zhǔn)治療和高精度檢測(cè)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持�！�

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在先進(jìn)光學(xué)成像中的應(yīng)用，圖中為洋蔥表皮細(xì)胞

通過(guò)持續(xù)的技術(shù)優(yōu)化和與其他領(lǐng)域的深度融合，這項(xiàng)技術(shù)有望推動(dòng)更加個(gè)性化和智能化的應(yīng)用創(chuàng)新。無(wú)論是在提升日常生活中的顯示效果、提供更加精準(zhǔn)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(zhuǎn)化為切實(shí)改善生活質(zhì)量的實(shí)際應(yīng)用。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq6299