导读

意大利布雷西亚大学、帕勒莫大学及德国卡尔斯鲁厄理工学院等机构联合团队在《LSA》发表重要研究成果，首次通过非线性总角动量加成在非晶硅薄膜中实现结构化光的精确调控与生成。该研究利用各向同性非线性材料在强聚焦激发下，成功演示了三次谐波生成过程中总角动量投影的三倍增加，并通过理论建模与实验验证，揭示了光束形态对泵浦偏振的高度敏感性。该成果为非线性和平面光学中光结构的设计与理解提供了新的对称性分析框架，为光通信、量子信息处理及光镊技术等领域带来了全新的光调控工具。

研究背景

结构化光因其在成像、通信、量子计算和光与物质相互作用等领域的广泛应用，已成为光学研究的前沿方向。近年来，平面光学和超表面的发展进一步拓展了光场调控的自由度，但在非线性光学中，如何实现多自由度耦合与高维度光结构生成仍面临挑战。传统方法多基于线性光学或近轴近似，难以在非线性和非近轴条件下实现光场的精确设计与预测。非线性光学过程如谐波生成，能够通过材料的非线性极化耦合多个光场自由度，为结构化光的产生与探测提供了新途径。

现有研究多关注轨道角动量和自旋角动量的线性转换，而在非线性、强聚焦条件下，总角动量和螺旋度这两个与系统对称性直接相关的物理量的守恒与转换机制仍不明确，制约了结构化光在集成光学和微观操控中的应用。

研究亮点

1、非线性总角动量加成机制

本研究通过在非晶硅薄膜中激发三次谐波，实验证实了在强聚焦条件下，泵浦光束的总角动量投影在非线性作用过程中可发生三倍增加。当圆偏振泵浦光（总角动量投影 ）入射时，产生的三次谐波光具有的投影值。该过程由系统的旋转对称性和非线性极化张量决定，为非线性光场结构化提供了明确的对称性选择定则。

图1. 非线性总角动量加成示意图与光学实验装置。

2、实验与理论紧密结合的光场解析

研究团队基于贝塞尔光束展开和螺旋度守恒分析，建立了适用于非近轴场的理论模型，成功解释了实验中观察到的光场形态随泵浦偏振演化的复杂行为。通过偏振分辨测量，验证了在传输方向中螺旋度基本保持守恒，而数值模拟进一步揭示了材料非双偶对称性导致的微小螺旋度转换。

图2. 不同泵浦偏振下三次谐波的光强分布与数值模拟对比。

3、对偏振纯度的高灵敏度与光场调控能力

研究表明，生成的三次谐波光场形态对泵浦光的偏振纯度极为敏感，微小的椭圆偏振变化即可导致光场从双环结构向中心亮斑转变。这一特性不仅为圆偏振光探测提供了新思路，也展示了非线性平面光学器件在光场形态动态调控方面的潜力。

图3. 偏振分辨三次谐波成像及泵浦与谐波螺旋度分布模拟。

总结与展望

本研究首次在实验与理论层面系统揭示了非线性总角动量加成在平面光学中的实现机制与调控规律，为结构化光的非线性生成与探测提供了基于对称性的通用分析框架。未来，通过结合具有特定对称性的纳米结构材料，可进一步拓展谐波阶数与角动量的耦合维度，实现多波段、多模态的结构化光场设计。该研究有望推动非线性平面光学在高速光通信、量子光源、光学传感与微观操控等方向的应用，为下一代集成化光调控平台奠定基础。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02004-8