液晶集成新突破!垂直腔面发射激光器实现矢量涡旋光束灵活调控
如何实现光束的灵活调控成为科研人员探索的重要方向。近日,一项关于可调谐矢量涡旋光束垂直腔面发射激光器(VCSEL)的研究成果引发关注,科研团队通过将液晶(LC)材料与VCSEL巧妙集成,成功让激光器拥有了调控光束偏振状态和拓扑电荷的“超能力”,为激光应用开拓了全新可能。

液晶作为一种独特的有机材料,其分子结构具备极高的灵活性,能够通过电、光、热等物理量轻松实现调整。将它与VCSEL相结合,就如同给激光器装上了一个智能“调节器”,可以对相位、波长、偏振等关键光学参数进行精准调制。研究人员利用多个LC结构协同运作,最终实现了在芯片级层面上,让拓扑电荷可调谐的矢量涡旋光束激光器从设想变为现实。
这款创新的激光器由760nm的VCSEL和LC光调制器构成。其中,调制器包含LC层和涡旋光束球晶层,中间还有6μm的SU8光刻胶,它不仅能起到支撑作用,还能为VCSEL提供贴心“保护”。VCSEL本身直径60μm,高3.5μm,别看它“身材小巧”,性能却十分强大。
在光导与偏振特性方面,这款激光器表现亮眼。当紫外光照射时,LC分子结构就像被按下“变形键”,会发生奇妙变化,使得涡旋光束的轨道角动量(OAM)能在-1和+1之间自由切换,一旦停止照射,又能迅速“恢复原样”。没有紫外光时,它输出圆偏振光;在60mW/cm²紫外光照射下,立刻“变身”产生线偏振光,而且46s后LC旋转方向还会逆转,圆偏振光的旋向也随之反转。和传统四分之一波片相比,LC的加入让VCSEL的阈值电流降低了0.25mA,发散角也从10.2°减小到8.1°,有效提升了激光器的性能。

其输出的矢量涡旋光束同样极具特色,强度分布呈现出规则的环状,中心还存在奇异点,偏振纯度高达85.2%,属于方位偏振。有趣的是,紫外光照射会改变LC螺距,使得它的颜色如同彩虹般依次变化,20s后油性条纹消失,螺距方向反转,48s后又恢复初始状态,但旋向却与之前相反,就像在进行一场光学“魔术表演”。
在拓扑电荷表征上,研究人员借助干涉仪,利用涡旋光束自干涉效应,清晰观察到初始拓扑电荷为-1的叉形干涉条纹。当紫外光照射46s后,拓扑电荷变为+1,条纹开口方向也跟着反转,中心相位纯度更是达到了90%,精准展现出了光束拓扑电荷的调控效果。
这项研究提出的LC集成VCSEL直接输出矢量涡旋光束的方法,与标准化VCSEL流程完美兼容。胆甾LC的特殊性质,让激光器能够获得不同拓扑电荷的涡旋光束以及可控的中间态,为大信息密度信号输出和光学操作提供了超紧凑的光源。科研人员表示,若能进一步提高LC分子的旋转速率,未来有望实现商用高信息密度单管激光器,让这项技术在光通信、光学传感等众多领域大放异彩,为相关行业带来全新的变革与发展机遇。
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