导读

光学涡旋阵列（OVA）是大规模并行光子学的重要研究平台，但传统生成方法普遍存在功率容量低、可扩展性受限、系统复杂度高等问题。近日，日本大阪大学激光工程研究所的研究团队提出了一种简便且高鲁棒性的光学涡旋阵列制备方法，通过重新推导拉盖尔-高斯（LG）光束向厄米-高斯（HG）光束的模式转换理论，并结合多光束干涉技术，成功突破了传统方法的诸多局限。

研究团队搭建了一套紧凑型高功率衍射光学元件（DOE）-螺旋相位片（SPP）-4f傅里叶光学系统，实验生成了包含3070个相位相干涡旋的三角晶格光学涡旋阵列，系统峰值功率达58兆瓦（MW）。该成果在涡旋数量和峰值功率上，相比基于空间光调制器（SLM）、超表面和传统衍射光学元件的同类系统，均实现了三个数量级以上的提升，为大规模、高功率涡旋阵列生成树立了新标杆。

此外，基于干涉原理的DOE-SPP设计，使得该方法在涡旋数量、波长和输入激光功率上都具备固有可扩展性；在实现高峰值和平均功率输出的同时，不仅推动了光学涡旋基础科学的发展，也为并行激光加工、宽带手性光子学、超大规模并行生物光子学，以及量子与非线性光子学的前沿探索提供了新途径。（见 Abstract）

该研究成果近日发表于国际顶级学术期刊《Light: Science & Applications》，题为 “Scalable optical vortex arrays enabled by the decomposition of Laguerre–Gaussian beams into three Hermite–Gaussian modes and multibeam interference”，日本大阪大学激光工程研究所的 Yoshiki Nakata 为论文第一作者兼通讯作者。

研究背景

光场调控的研究起源于19世纪干涉图案的发现，这一发现不仅让研究者识别出作为波场相位奇点的光学涡旋（OV），还推动了厄米-高斯（HG）、拉盖尔-高斯（LG）等高阶激光模式的发展。20世纪90年代，研究人员发现LG模式具有轨道角动量（OAM），其螺旋波前和中心相位奇点的特征，为超分辨显微镜、手性结晶、光镊操控和微结构制造等领域开辟了新方向。

光学涡旋阵列（OVA）因其能够实现并行光处理与颗粒分选能力，成为光子学领域的研究热点。但传统光学涡旋阵列生成方法存在根本性局限：基于空间光调制器（SLM）的动态全息法虽可重构但却受功率限制，通常仅能在亚瓦级功率下生成数十个涡旋；静态衍射光学元件（DOE）稳定更好，但无法重构和扩展；超表面结构紧凑但功率处理能力和灵活性不足。

基于干涉的方法理论上无图案数量上限，是替代传统方法的理想选择，但高功率、大规模螺旋干涉图案的实验生成一直未能实现。为此，研究团队重新研究LG模式的形成机制，提出了HG-LG模式转换的首次修正：将LG模式由传统的两束HG模叠加，重构为三束互成60°旋转的HG模相干叠加。该理论与多光束干涉框架结合后，不仅实现了涡旋数量近乎无限制的光学涡旋阵列生成，还首次实验验证了轨道角动量在光学涡旋阵列中的传递，为超并行手性现象及量子、非线性手性科学的前沿研究奠定了基础。

创新研究

研究团队首先完成了HG-LG模式的重新分解，构建了基于干涉的OVA生成框架（图1）。LG和HG模式分别是亥姆霍兹方程在柱坐标和直角坐标系下的本征解；传统方法中，LG?,?模式由旋转90°、相位差π/2的HG?,?和HG?,?叠加生成，但该转换方式无法适配基于干涉的大规模OVA生成。团队通过理论推导证明，LG?,?可等效重构为三束分别旋转0°、±60°，相位差为0、π/3和-π/3的HG?,?模式的相干叠加，且两种分解方式所得的光强分布完全一致。

基于此，团队将三束旋转HG模与三对干涉模式（IP）对应，提出六光束干涉设计思路：六束光束方位角差60°、相位差π/3，三对相向光束各自形成干涉模式，三者再相干叠加形成OVA模式。模拟结果显示，该模式的拓扑荷为±1，反转相位差即可切换旋转方向，且六光束几何结构会形成无限的相干三角瓣排列，为三角晶格光学涡旋阵列的生成提供了充分的理论基础。

图1：光学涡旋（OV）和光学涡旋阵列（OVA）形成的概念性模式转换。

研究团队进一步通过模拟验证了光OVA的相位奇点特征（图2、图3）。六光束干涉的电场模拟显示，OVA模式与LG?,?模式均呈现双瓣图案，且电场极性在半周旋转后反转，首次实现了拓扑荷l=1的螺旋波前时间演化的直接可视化。光强分布模拟证实，OVA模式的相位奇点形成规则的三角晶格，涡旋核心近乎圆形，与单个光学涡旋的光强最小值区域高度吻合，且阵列中的光学涡旋具有沿相关区域延伸的线性奇点，直径和周期保持恒定，这一特性区别于自由空间中的传统光学涡旋。而传统两模HG分解对应的双干涉模式仅能形成方形晶格的相位奇点，无法产生环形光学涡旋阵列，且缺乏明确轨道角动量所需的旋转对称性，这充分凸显了三干涉模式构建OVA的优势。

图2：关键模式的模拟电场分布及t=0时沿y轴的截面。

图3：光学涡旋（OV）和光学涡旋阵列（OVA）的示意图及模拟光强图案。

团队搭建了紧凑型高功率4f傅里叶光学系统进行OVA实验验证（图4）。系统由生成六束一阶光束的DOE、构成4f系统的双凸透镜，以及引入π/3相移的SPP组成，整体除激光源外仅占据光学平台180×500 mm²的区域，六束光束经4f系统在输出平面重叠，形成稳定干涉并构建三角晶格结构；插入SPP可生成OVA?模式（Δα=π/3），反转SPP则形成OVA??模式（Δα=-π/3），干涉角设为0.72°时，晶格周期达48.8 µm。

图4：利用4f光学系统形成OVA的实验配置。

团队以532 nm连续波二极管激光器（LD）作为光源，成功观测到了OVA的光强分布和相位奇点（图5）。无SPP时生成OVA?模式，呈现规则三角晶格；插入SPP后生成OVA?模式，形成包含相位奇点的环形光束三角晶格，截面光强分析与数值模拟结果高度吻合。从OVA?模式的未裁剪图像中可确定，阵列共包含3070 个涡旋，远超此前光学涡旋阵列研究的涡旋数量。

通过平面参考波干涉实验，研究团队进一步验证了OVA的螺旋波前：所得新月形干涉条纹证明所有光学涡旋均携带拓扑荷l=1的相位奇点，且条纹沿传播方向的旋转速率与理论计算的螺旋节距一致；三维干涉场模拟则显示，OVA呈现龙卷风状的驻波光强结构，将光学涡旋的方位相位结构转换为沿光轴延伸的螺旋光强分布。

图5：利用532 nm连续波激光二极管（LD）获得的实验OVA光强图案及与参考波的干涉结果。

最后，研究团队采用Nd:YAG激光器二次谐波作为高功率光源，开展OVA加工实验（图6）：利用OVA?模式辐照铜表面，形成了具有特征环形图案的周期性烧蚀点，且在涡旋奇点处生成了手性纳米针结构；而OVA?无此现象，证明观测到的纳米结构源于轨道角动量的传递，且手性扭转方向随拓扑荷l对应。相比1064 nm纳秒脉冲激光的单光学涡旋烧蚀，铜在532 nm波段的更高吸收率和更小光斑尺寸，显著降低了每个涡旋的能量需求，为高功率条件下的手性光-物质相互作用提供了直接实验证据。

图6：利用532 nm纳秒Nd:YAG激光器二次谐波生成的OVA模式烧蚀铜（Cu）靶的结果。

总结与展望

本研究构建了DOE-SPP-4f 兆瓦级相干 OVA 系统，实现 3070 个涡旋、58 MW 峰值功率输出，涡旋数与功率较 SLM / 超表面法提升三个数量级；系统兼容飞秒激光，理论峰值功率可达 65 GW，为量子、非线性、手性和超快激光加工应用开辟了新领域。该方法兼具高稳定性、高功率处理能力和强可扩展性：静态DOE-SPP设计无需主动相位控制，鲁棒性优异；通过调整透镜焦距可将干涉角提升至26.9°，532 nm波段下晶格周期达1.36µm，涡旋面密度可达每平方毫米20.8万个，约为SLM或超表面方法的1000倍；同时系统完整保留输入光特性，OVA?、OVA?、OVA??模式对应总角动量0、±1、±2可调，为光场调控提供了更多自由度。

展望未来，该技术不仅为并行激光加工、宽带手性光子学、大规模并行生物光子学提供了强有力的技术支撑，还将为量子与非线性光子学的前沿探索提供新动力，并有望扩展到电子束、中子束等其他波场领域。后续研究可进一步探索该干涉框架在更高阶LG模式、径向阶p>0模式中的应用，持续突破光学涡旋阵列的性能极限，不断拓展其在更多前沿领域的应用场景。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02254-0