导读

涡旋光束在光学操控、相衬显微镜、光通信和量子光子学等多个领域中有重要应用。集成光学中常用叉形光栅、超表面和集成微梳等作为涡旋发生器，但存在成本高昂、耗时严重以及制造误差影响大等问题。因此，利用自旋轨道耦合实现涡旋光束成为有效解决方案。最近，来自韩国首尔汉阳大学和澳大利亚墨尔本大学等的研究人员在范德华（vdW）材料中通过自旋轨道耦合产生了涡旋光束，避免了繁杂的纳米制备过程。可以在纳米厚度的MoS2晶体中产生光学涡旋光束且转换效率达到0.09。

该文章近日发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Spin-Orbit Coupling in van der Waals Materials for Optical Vortex Generation”，韩国首尔汉阳大学的Haejun Chung以及澳大利亚墨尔本大学的Sejeong Kim为论文通讯作者，Jaegang Jo和Sujeong Byun为论文共同第一作者。

研究背景

涡旋光束由于具有轨道角动量（OAM），在光学微操纵、手性传感、相衬显微镜、量子通信等方面有广泛的应用。目前商用产生OAM的方法主要包括螺旋相位板、q板和全息图（空间光调制器）等，但通常需要庞大的光学系统，难以满足系统集成的要求。利用液晶、叉形光栅、超表面、集成微梳和逆向设计器件等，在芯片上产生光学涡旋的方式，需要昂贵、耗时的纳米制造工艺且信噪比方面也存在一定缺陷。

上述常规产生OAM的方案通常是通过操控相位，将非结构化光转换为涡旋光束。但目前有理论证明圆偏振光（CPL）入射到单轴介质上会产生相反手性的光，从而透射光束会产生OAM，这揭示了利用光学自旋轨道耦合产生光学涡旋的可能性。该理论目前已经在铌酸锂和β-硼酸钡中得到了实验验证，但是这两种材料的双折射较小，因此需要使用体积庞大的材料（厚度超过几毫米）才能实现足够的转换效率。

而部分范德华（vdW）材料存在巨大双折射，有利于在介质中诱导高效的自旋轨道耦合，产生光学涡旋光束，从而实现薄型无制造工艺的光学涡旋发生器。研究人员在各种vdW材料中选择了六方氮化硼（hBN）和二硫化钼（MoS₂），其中hBN在从可见光到红外光的宽波长范围内是透明的，同时表现出高双折射；MoS₂具有极高的光学各向异性且从远红光到红外光的范围内是透明的。这些高双折射的特性可以减少转换CPL手性所需的厚度。

创新研究

研究人员首先展示了hBN晶体中由于自旋轨道耦合产生光学涡旋的过程以及仿真结果（图1）。通过MEEP软件进行模拟，发现在开始处右旋圆偏振光（RCP）强度为零，随着光束在晶体中传播，RCP强度逐渐提高，证明了左旋圆偏振光（LCP）转换为RCP的过程。另外，研究人员还强度以及相位的分布图样证明了该涡旋光束的OAM数为+2。

图1. vdW晶体中因自旋轨道耦合产生光学涡旋的示意图以及仿真

研究人员继续通过实验验证了hBN晶体中涡旋的产生（图2）。实验中，当入射光为LCP时，相机只收集输出光束中的RCP分量。当入射光为RCP时，相机只收集输出光束中的LCP分量。结果表明，当光束仅通过玻璃样品时，圆偏振的手性得以保留；当聚焦光束穿过hBN晶体时，观察到环形强度分布，且在LCP和RCP分别输入时，观察到了顺时针和逆时针旋转的螺旋图案，与仿真结果相匹配，证明了hBN晶体可以导致入射光束的自旋转换。

图2. vdW晶体中产生光学涡旋的实验光路及结果

研究人员还展示了多个单轴材料中各向异性衍射长度的倒数随波长的变化情况以及转换效率随传播长度之间的关系（图3）。重点分析了基于8 μm厚hBN晶体以及26 μm厚MoS₂晶体的涡旋发生器的转换效率随数值孔径的变化情况，结果发现，由于MoS₂晶体的高光学各向异性，与hBN晶体相比，随着数值孔径的增加，其转换效率迅速饱和并接近0.5。另外，研究人员还验证了纳米厚度的MoS₂晶体中也能产生涡旋光束且能达到0.09的转换效率。

图3. 自旋轨道转换效率的预测与测量

研究人员发现使用圆偏振贝塞尔光束可以克服高斯光束0.5的最大转换效率限制，实现接近1的转换效率（图4）。仿真结果表明，当LCP贝塞尔光束入射时，随着传输距离的增加，LCP逐渐消失，而RCP的振幅逐渐增加，在z=23 μm处，产生了具有+2 OAM模式的RCP贝塞尔光束且RCP功率达到最大值0.96。

图4. hBN晶体中贝塞尔光束的自旋轨道耦合

总结与展望

本文中，研究人员成功利用vdW材料中的自旋轨道耦合产生了光学涡旋光束，避免了繁杂的纳米制造过程。通过使用hBN和MoS₂晶体产生了拓扑荷为±2的涡旋光束并测量了涡旋发生器的转换效率，结果表明，微米量级厚度的hBN和MoS₂晶体可以实现接近0.5的最大转换效率，且纳米量级厚度的MoS₂晶体也能实现较高的转换效率。最后研究人员还证实了使用贝塞尔光束，基于vdW材料的涡旋发生器可以实现接近1的转换效率。

该方案实现的涡旋光束发生器由于其可集成且无需纳米工艺的特点，在纳米光子学，尤其是涉及到轨道角动量的应用中具有很大的潜力。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01926-7