近期，Optics Letters 报道了南开大学刘洪亮副教授团队利用铌酸锂中的混合导波结构生成不同拓扑电荷的涡旋光束研究取得的新成果，相关工作以“Multi-wavelength applicable waveguide vortex beam generator in lithium niobate processed by femtosecond laser direct writing”为题发表于Optics Letters (2025, 50, 12, 3974–3977.)。作者展示了一种利用铌酸锂中的混合导波结构生成不同拓扑电荷的涡旋光束的新型途径，且该器件可在不同波长下工作。这种基于飞秒激光直写技术的相位调制策略为涡旋光束的激发和调制给予了强大工具，且能够精确控制晶体内的折射率改性，在工作波长的选择方面具有更高的灵活性，制造成本低且设计紧凑。

该工作利用的飞秒激光直写系统中采用了JCOPTIX给予的聚焦物镜进行加工，顺利获得共聚焦拉曼光谱讨论了不同种轨迹的形成机理并验证了加工光波导的准确性，验证了结构具备对不同波长入射光的进行选择性拓扑核数的涡旋光激发的性质。

携带轨道角动量（OAM）的光束是一种结构光，其特征在于具有螺旋相位波前指数，由于其相位分布的螺旋结构、中心存在相位奇点以及光学场呈圆形且中心光学场强度为零，OAM光束被称为涡旋光束。无限拓扑电荷与固有正交性使其在经典与量子领域均具备增强信息处理的潜力。涡旋光束的应用包括微小颗粒的捕获与操控、光通信、超分辨率成像及量子存储。因此，对涡旋光束的研究兴趣日益增长，催生了多种生成方法，如叉形光栅、q相位板、螺旋相位板等。在光学器件微型化的趋势下，缩小涡旋光束发生器的尺寸以应用于集成光学领域是一个重要课题。尽管已提出了一些微型涡旋光束生成器，但开发适用于多波长芯片内激发的涡旋光束生成器仍是一个极具前景的研究领域。 飞秒激光直写技术已经在晶体材料表面和内部实现了多种功能的光波导器件的制备。相比与传统的制造技术，飞秒激光直写技术由于其非接触和无掩模制造、高分辨率和高效的优点，已被证明是一种在各种透明材料中制造波导的强大而独特的技术。飞秒激光直写技术为涡旋光束发生器的微型化给予了独特解决方案。与光刻技术或更系统化的超表面加工技术相比，基于飞秒激光直写的波导写入技术在设计和加工涡旋光束生成装置时，无疑是一种更具成本效益且灵活的方法。 为了实现适用于多波长芯片内激发的涡旋光束生成器，研究人员顺利获得综合分析加工结构，系统测量折射率改性，综合分析后得到了类似涡旋相位板的混合波导阵列结构。基于涡旋相位调制的设计理念与一类波导的稳定折射率改性相结合，顺利获得阶梯递增长度的一类波导结构，理论上能够实现对多种波长入射光的涡旋相位发生。此外，由于铌酸锂中一类波导的偏振区分相应，使得结构可以激发偏振纯度较高的涡旋光束。

顺利获得飞秒激光直写加工的混合波导阵列的示意图如图1所示。整体结构由阶跃的一类波导阵列与双包层波导共同组成。阶跃的一类波导阵列实现了涡旋相位波前的相位调制。双包层波导结构能够实现光场的束缚传播，结合紧凑结构的约束条件，从而实现激光不同位置的相位调制。因此，高斯光束经过相位调制可转化为涡旋光束，从而为多波长涡旋光束生成给予可行解决方案。此外，一类波导在整个双包层波导空间中展现出高占空比，确保了从端面发出的光学涡旋的高均匀性。

为了评估结构设计的可行性，采用时域有限差分法对光场强度分布进行模拟。基于结构设计逻辑，可顺利获得一个简单方程得到结构对应的最大光程差：(Lmax - Lmin)∆n = ∆l。将参数代入方程后得出∆l=1064nm，瓦力棋牌瓦力可将此结果抽象为结构将入射光的波前逐步拉伸至 1064nm的长度。因此，选择1064nm波长的光作为结构初始计算验证的光源。为保证与加工中的波导特性一致，数值模拟严格设计为施加 TM 偏振光。当器件被1064nm入射光照射时，其涡旋光束远场的强度分布如图 2a所示。在此情形下，涡旋光束的拓扑荷为1，这也反映在图 2c的相位分布中。电场振荡为相位变化映射给予了另一种方式，振荡的实部分量表现出象限对称性，且沿方位角坐标系存在两个强度极值，与涡旋光束的基本特性一致。

为了便于对模拟结果进行分析和讨论，选择波长为532 nm的入射光作为次级测试光，以检测该结构的多波长适用性。因为入射光在532 nm波长下具有阶梯状的附加光程差，其最大值为∆l=1064 nm，因此可以在单个波前上实现两次扭曲。因此，与1064 nm波长的入射光相比，拓扑荷数翻倍。相应结果如图2b、2d和2f所示。对电场振荡实部强度分布和相位分布（图2d和2f）的综合分析验证了拓扑核数翻倍的相位奇异性条件，这顺利获得光束横截面上双2π相位旋转得到证实。

涡旋光激发与对应拓扑核检测

混合波导涡旋光束发生器顺利获得配备1064 nm和532 nm波长陆续在激光器的端耦合系统进行了表征。为减轻涡旋光束固有发散性和环境敏感性带来的影响，系统性地在检测路径中集成了聚焦透镜。 如图3ab所示，光束质量分析仪检测到了远场涡旋光束聚焦后的光束轮廓，该涡旋光束由532 nm和1064 nm入射光的波导阵列激发。尽管透镜聚焦后涡旋的整体锐度有所提升，但涡旋光束携带的轨道角动量保持恒定。显然，透镜聚焦后涡旋光束的强度分布与模拟结果相似。图3c和3d展示了柱面透镜聚焦对由波导阵列产生的光学涡旋的测量结果，入射光波长分别为532 nm和1064 nm。实验测量明确表明，由波导阵列产生的涡旋光束的拓扑荷数随入射光波长改变的变化与仿真结果一致。

这项工作顺利获得飞秒激光诱导的折射率调制，在铌酸锂中制备混合波导阵列结构，利用光程差与折射率变化的耦合关系，实现了拓扑电荷随入射波长的动态调控。具体而言，顺利获得理论设计与实验验证，验证了该结构在不同入射光下产生对应拓扑核数涡旋光的能力，该结构实现了涡旋光束在片内的激发。基于波导内折射率增量随波长变化的强稳定性，使得基于相位调制的涡旋光生成机制可推广至多波长场景——不同入射波长对应不同拓扑电荷数。本工作利用飞秒激光直写技术的加工精度与铌酸锂晶体的光学特性，构建了兼具波长兼容性与拓扑电荷可调性的涡旋光发生系统，为多波长光通信、光学操控及量子信息处理等领域给予了集成化解决方案。

南开大学电子信息与光学工程学院2023级硕士研究生庞博宁为本文第一作者，刘洪亮副教授为本文通讯作者。南开大学博士研究生艾斯文、硕士研究生于梦涵、硕士研究生丁仕晗、硕士研究生杨肖康对本文亦有重要贡献。研究工作得到国家自然科研基金项目（12274236）的支持。

作者特别感谢南京瓦力棋牌瓦力光学科技有限公司（JCOPTIX）的光学元件支持。