基于MEMS超构表面的模式可切换涡旋激光器

近日，Science子刊《Science Advances》发表题目为“MEMS-metasurface−enabled mode-switchable vortex lasers”（基于MEMS超构表面的模式可切换涡旋 激光器）的学术论文。论文由北京邮电大学信息光子学与光通信全国重点实验室联合南丹麦大学纳米光学中心、挪威科技工业研究所共同完成。第一作者为北京邮电大学博士生王传硕，北京邮电大学电子工程学院徐坤教授、桂丽丽教授与南丹麦大学纳米光学中心Sergey I. Bozhevolnyi院士（丹麦自然科学院和丹麦工业技术科学院两院院士）、孟超博士为本文通讯作者。

此项研究，主要聚焦涡旋光束领域，目的是通过将光学超构表面（OMS）与压电微机电系统（piezoelectric MEMS）技术相结合，研发一种模式可重构的动态涡旋光纤激光器。

提到“涡旋光”，你可能感到很陌生，那么你一定注意到了，生活中有很多现象都与“旋转”息息相关。比如水流入下水池时形成的旋转漩涡，或者热带气旋、龙卷风，它们的力量都源于旋转。在光学领域，有一种拥有旋转特性的光——涡旋光。与普通的光不同，涡旋光具有独特的螺旋相位轮廓。在先进光学成像、光学操纵、激光加工等领域展现出了巨大的应用潜力。传统上，涡旋光束的生成通常依赖于复杂且笨重的光学元件，难以满足现代光学系统对轻量化和紧凑性的需求。因此，开发小型化、高效且易于集成的光学元件，成为了当前涡旋光束研究领域的一大热点。

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图：涡旋光的（a）光场强度和（b）传输轨迹

光学超构表面（OMS）则为实现这些目标提供了全新思路。它犹如一块“光的魔法拼图”，由纳米级的“拼图块”组成，每一小块都能精确地操控光的幅度、相位和偏振，从而实现光的转弯、聚焦、变色等奇妙效果。相比传统光学元件，它不仅超薄轻便，而且功能强大，仿佛是光学世界的“魔术师”，将人类对光的控制推向了微观尺度的新时代。

在探索如何基于OMS从源头构建用户友好的结构光源问题上，北邮科研团队依托长期以来在微纳光场调控和光纤激光器领域的深厚科研积累，研发成功了将OMS与压电微机电系统（piezoelectric MEMS）集成的平台，通过电压驱动MEMS微镜来动态、高效地调制MEMS-OMS的光学响应，并将其集成到光纤激光腔内，最终实验实现了一种模式可切换的新型涡旋激光源。与传统的单一模式输出的静态激光器相比，这种具有模式可重构特性的动态激光器可大大提高和丰富激光光源的灵活性和功能性，将有望为光通信、超分辨成像、微粒操控以及激光加工等领域带来更多可能性。

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图.动态可重构结构光源的设计。（A）MEMS-OMS的设计原理；（B）激光器的结构示意图。

具体地，MEMS-OMS由在SiO2基板上加工的OMS微纳结构和由电压驱动的MEMS反射镜组装而成。其光学响应受控于OMS纳米棒和MEMS反射镜复合结构内部的等离激元/法布里-珀罗耦合谐振。通过对MEMS反射镜施加电压Vm可以精确控制其和OMS层之间的气隙Ta，实现OMS层功能的高效关闭（普通反射镜）和开启（涡旋半波片），从而获得高斯光束和携带轨道角动量（OAM）的涡旋光束的动态切换。

将MEMS-OMS集成到一个由光纤镜、MEMS-OMS和部分透射的输出耦合镜构成的V形光纤激光腔中，仅通过切换驱动电压，即可在腔内对光场直接调制并生成具有可重构模式的结构光束，开创了可调谐激光光源设计的新范式。

OMS通过电子束光刻、剥离等工艺制备，与MEMS微镜组装后的MEMS-OMS在两个工作状态下具有>80%的工作效率。将其集成到激光腔后，在Vm1 = 4.4 V和Vm2 = 6.8 V时，MEMS-OMS分别可以在镜面反射和涡旋半波片的两个操作状态之间重新配置，从而在1030 nm波长附近实现高斯和涡旋模式的快速切换（~100 μs），涡旋光束纯度可达>95%。

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图.MEMS-OMS的表征和激光器的输出特性。（A）OMS的扫描电镜图；（B）组装的MEMS-OMS的细节展示；（C）模拟的两偏振通道的反射率和对比度随Ta的变化；（D）MEMS-OMS的响应时间；（E）高斯和涡旋光束的强度分布和自干涉图样。

当问及该项研究的应用场景，研发团队成员王传硕同学说到：“腔内MEMS-OMS的激光器系统为产生高纯度快速可切换激光模式提供了一种源头上的解决方案。这一系统具有广泛的潜在应用场景。例如，在先进光学成像中，我们可以通过关闭和打开螺旋相位轮廓，在普通明场成像（下图第一行）和二维边缘检测成像（下图第二行）之间实现快速切换。这种成像技术在增强现实（AR）中能够提供更真实的深度感知与环境模拟，在生物医学领域，为精准治疗和高精度检测提供了强有力的技术支持。”

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在先进光学成像中的应用，图中为洋葱表皮细胞

通过持续的技术优化和与其他领域的深度融合，这项技术有望推动更加个性化和智能化的应用创新。无论是在提升日常生活中的显示效果、提供更加精准的医疗治疗，还是在激光加工中提高效率，它都将显著改变我们的生活方式，并最终转化为切实改善生活质量的实际应用。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq6299