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。