【光学前沿】华中科技大学团队实现飞秒多边形光学涡旋脉冲，拓展微纳操控新维度

   华中科技大学张金伟教授团队近期取得一项突破性成果，成功研制出飞秒级多边形光学涡旋脉冲，首次将多边形光学涡旋的应用从连续波拓展至超快脉冲领域。该研究成果发表于《Light:Science&Applications》，为飞秒光镊、三维微结构制造等前沿领域的发展提供了重要技术支撑。

    领域突破：从连续波到飞秒脉冲的跨越
    光学涡旋因具有螺旋相位分布及轨道角动量（OAM）特性，在光通信、微粒捕获、亚衍射极限显微术及量子纠缠调控等领域应用广泛。与连续波涡旋光束相比，飞秒光涡旋脉冲兼具螺旋相位波前与高峰值功率特性，在阿秒涡旋生成、粒子动态操纵、物质与复杂光场相互作用研究及三维手性微结构制造等方面具有独特优势。
    多边形光学涡旋作为光学涡旋的新分支，凭借可定制的强度结构与额外自由度受到广泛关注，但此前其研究与应用始终局限于连续波范畴。张金伟团队的研究首次实现飞秒级多边形光学涡旋脉冲，不仅填补了该领域的技术空白，更通过其独特的时空特性，为微观操控提供了高精度工具。例如，在三维手性微结构制造中，飞秒多边形涡旋可依托其多边形强度分布与轨道角动量，实现材料的选择性刻蚀，构建传统光束难以完成的复杂结构。

    技术核心：准频简并与锁模技术的协同创新
    该成果的关键在于创新性地将锁模激光技术与准频简并态调控有效结合。研究团队采用Yb:KGW锁模激光振荡器，通过精确调控激光腔长，使振荡器工作于准频简并状态，生成具有特定相位关系的飞秒厄米-高斯脉冲。这些脉冲经像散模式转换器处理后，成功转化为具有方形、五边形和六边形强度分布的多边形光学涡旋。
    实验结果表明，这些飞秒多边形涡旋脉冲具有优异的性能：平均功率均超过1瓦，脉冲宽度小于500飞秒（其中方形脉冲最短达389飞秒），重复频率约为116MHz，且长期运行功率稳定性偏差低于1.3%。通过马赫-曾德尔干涉仪测量证实，这些涡旋脉冲携带明确的轨道角动量，其拓扑荷数分别为10（方形）、16（五边形）和17（六边形），与理论模拟结果高度吻合。

    应用前景：微纳操控领域的革新潜力
    该技术的突破为多个前沿领域带来革新潜力。在飞秒光镊应用中，多边形强度分布使光束可适配不同形状的微粒，显著提升分选效率；其高峰值功率特性可通过非线性光学效应改变微粒局部折射率，为微观操控增加新维度。
    在三维微结构制造领域，飞秒多边形涡旋的超短脉冲特性可减少热扩散效应，结合其可控的几何参数与轨道角动量，有望实现螺旋手性微管等复杂器件的高精度加工。此外，该技术在量子信息领域亦展现出应用前景——多边形涡旋的多奇点特性为量子纠缠态调控提供了新的自由度。

    未来展望：向更高阶结构与更优性能拓展
    研究团队表示，目前已实现三角形至八边形连续波多边形涡旋，下一步计划通过优化激光腔设计、提升泵浦功率及采用混合泵浦方案等方式，拓展飞秒脉冲的多边形种类，旨在实现十边形以上高阶结构。同时，通过采用宽带色散镜及宽带发射光谱增益介质，有望将脉冲宽度压缩至100飞秒以内，为阿秒科学研究提供新工具。

    该研究不仅是光学涡旋技术的重要跨越，更标志着人类对光场时空结构的调控进入更精细维度。随着技术的成熟，飞秒多边形光学涡旋有望成为连接微观操控与宏观器件制造的关键纽带，推动微纳光子学、生物医学工程等领域的跨越式发展。