超表面驱动涡旋光束生成技术突破：北邮团队攻克多维度瓶颈，助力动态光场应用发展

    在光通信领域对“超高速、大容量”传输能力的突破需求、量子信息领域对“高稳定、高维度”量子态编码的探索，以及显微操控领域对“超精细、高精度”作用的技术挑战背景下，携带轨道角动量（OrbitalAngularMomentum,OAM）的涡旋光束，已成为推动上述领域技术革新的核心光场载体。其螺旋状波前结构使不同拓扑荷（TopologicalCharge,l，决定OAM状态的关键参数）的光束可实现“并行传输”与“独立编码”，但长期以来，传统涡旋光束生成技术始终受限于拓扑荷切换灵活性不足、高阶模式稳定性欠缺、调控速度缓慢三大核心瓶颈，制约了其产业化应用进程。
    近日，北京邮电大学电子工程学院徐坤教授、桂丽丽教授团队联合国际科研合作者，以“超表面”为核心技术支撑，提出三项创新性技术方案，相关成果分别发表于《PhotonicsResearch》《ACSPhotonics》《LaserPhotonics&Reviews》三大国际顶尖光学期刊。该系列研究从源端突破传统技术局限，为动态化、集成化涡旋光源的发展奠定了关键技术基础。

    传统涡旋光束生成技术的核心瓶颈
    实现涡旋光束“高效、灵活、稳定”的源端生成，是其落地应用的首要前提。当前传统生成方式主要分为两类，且均存在显著技术短板：
    其一为腔外调制技术，通过螺旋相位板、空间光调制器（SpatialLightModulator,SLM）等器件对常规激光进行后置调制，以生成涡旋光束。此类技术虽可实现多模式输出，但存在设备体积庞大、光能量损耗较高等问题，且难以与小型化光学系统集成，不符合未来“芯片级”光源的发展趋势。
    其二为腔内调制技术，通过在激光器内部（如光纤激光器）集成光纤光栅等调制单元，实现涡旋光束的源端生成。该技术虽能实现调制单元与光源的集成化，显著压缩系统结构，但技术局限更为突出：多数方案仅能稳定输出单一或“共轭对”（如l=1与l=-1）的OAM模式，无法实现非共轭模式（如l=1与l=2）的灵活切换；少数可实现模式切换的方案，响应速度仅停留在毫秒级，且易因调控波动导致模式混杂；更关键的是，在光纤激光器应用场景中，受限于单模/少模光纤的本征模式数量，高阶OAM模式（如l≥10）易受“模式竞争”“模式耦合”效应抑制，难以实现稳定输出。
    在此背景下，“超表面”（Metasurface）技术的兴起为突破上述瓶颈提供了全新路径。作为由亚波长微纳单元构成的二维人工结构，超表面可对光的相位、振幅与偏振进行一体化精准调控，且具备轻薄化结构特征，易于与激光器谐振腔实现集成——这一特性恰好契合涡旋光束生成技术对“集成化”与“动态化”的核心需求。

    三项超表面创新方案：系统性破解传统技术瓶颈
    依托超表面的独特优势，北邮团队联合国际合作者针对传统技术痛点，从“拓扑荷解耦”“高阶模式输出”“高速调控”三个维度设计专项方案，形成了覆盖低阶至高阶OAM模式、低速至高速调控需求的完整技术体系。
    方案一：偏振复用超表面（PolarizationMultiplexingMetasurface,PMM）——突破共轭拓扑荷限制
    传统腔内调制技术的核心痛点之一，是无法摆脱共轭拓扑荷的束缚——模式切换仅能在l与-l之间跳转，无法实现非共轭OAM模式的灵活切换。为解决这一问题，研究团队设计了具备“三重功能集成”特性的偏振复用超表面（PMM），并将其集成至光纤激光器腔内。
    该PMM的核心设计亮点在于其偏振响应的差异化特性：当不同线偏振光入射时，器件可同步实现三项关键功能——对激光输出信号进行OAM模式调制（保障涡旋光束生成）、对激光谐振过程进行类高斯光束调制（维持激光稳定振荡）、精准调控两类光束的能量分配比例。在实际操作中，无需复杂的光路重构，仅通过旋转腔内半波片（Half-WavePlate,HWP），即可直接实现非共轭OAM模式的切换。
    实验结果验证了该方案的技术突破：激光器输出涡旋光束的模式纯度≥93%（模式纯度直接决定光束应用稳定性），斜率效率≥5%（能量转换效率满足实用化需求）；通过设计不同能量分配比例的PMM器件，团队进一步实现了对腔内激光能量的精准调控，为后续优化器件输出性能提供了灵活空间。
    方案二：LMSL动态调控平台——实现高阶OAM光束输出与波长独立调谐
    随着光通信领域“高维度复用”技术发展与光学操控领域“高精度作用”需求提升，高阶OAM光束（如l≥20）的稳定输出成为关键技术目标，同时对光束波长的独立调控需求也日益迫切。在PMM技术研究基础上，团队引入液晶可变延迟器（LiquidCrystalVariableRetarder,LCVR）与圆偏振复用超表面，构建了“LCVR-超表面-LCVR”（LMSL）动态调控平台。
    将LMSL平台集成至光纤激光器腔内后，通过调节LCVR的驱动电压，可实现高阶拓扑荷的灵活切换——实验中成功实现了l=2（模式纯度95.7%）与l=20（模式纯度93.0%）两类高阶OAM光束的稳定输出，突破了传统光纤激光器难以生成高阶OAM模式的技术局限。
    更重要的是，该方案实现了“波长与拓扑荷的独立调谐”：借助腔内可调谐滤波器（TunableFilter,TF），团队在1014–1046nm波段实现了32nm范围的连续波长调控，且波长切换过程与拓扑荷切换无干扰——这一特性意味着同一套系统可根据应用需求，同步调整光束的“螺旋形态”（拓扑荷）与“光谱特性”（波长），大幅提升了技术方案的应用灵活性。此外，实验测得OAM模式切换的上升时间为17.5ms、下降时间为2.4ms，可满足中高速动态调控场景（如中等速率光通信的模式切换）需求。
    方案三：MEMS可调谐双层超表面（MEMS-BMS）——实现涡旋光束切换速度的微秒级跃升
    针对高速光通信、实时光学成像等场景对“微秒级”调控速度的需求，桂丽丽教授团队联合南丹麦大学纳米光学中心SergeyI.Bozhevolnyi教授团队、挪威科技工业研究所孟超博士团队，提出“MEMS可调谐双层超表面（MEMS-BilayerMetasurface,MEMS-BMS）”技术方案，将涡旋光束的切换速度从传统“毫秒级”跃升至“微秒级”。
    该方案的核心技术逻辑为“压电驱动+双层超表面协同调控”：通过四组压电环驱动MEMS反射镜，实现对双层超表面与反射镜之间空气间隙的纳米级精度调控；当空气间隙发生变化时，可触发涡旋模式的周期性切换，例如实现l=-1与l=2非共轭模式的快速跳转。
    实验数据显示，该方案的OAM光束切换速度可达约50kHz，对应单程响应时间仅9μs——较基于液晶（LCVR）的调控方案，速度提升了3个数量级（液晶方案响应时间为毫秒级）。此外，该方案在保障“高速调控”的同时，兼顾了“高能量效率”与“系统紧凑性”：无需复杂光路设计，器件可实现微型化集成，完美适配自适应光学系统的应用需求。

    技术突破的核心价值与未来展望
    北邮团队的系列研究并非孤立的技术探索，而是围绕“涡旋光束实用化”目标形成的系统性技术突破。综合来看，三项方案共同实现了四大核心优势：
    1.拓扑荷调控维度的全面拓展：覆盖低阶（l=1）至高阶（l=20）OAM模式，突破共轭拓扑荷限制，实现非共轭模式的灵活切换；
    2.波长与拓扑荷的独立可调谐性：在1014–1046nm波段实现32nm连续波长调控，且波长切换与拓扑荷调控无干扰，适配多场景应用需求；
    3.模式切换速度的量级式提升：从Hz级（液晶方案）跃升至kHz级（MEMS-BMS方案），满足从低速到高速的全场景调控需求；
    4.实用化性能指标的稳定保障：输出涡旋光束模式纯度普遍≥93%，斜率效率≥5%，且实现低阈值运转，为集成化应用提供稳定技术支撑。

    未来，随着超表面设计的进一步优化——如拓展调控波段至红外、太赫兹领域，或实现更高阶OAM模式（如l≥50）的稳定输出——该系列动态涡旋光源有望在更广泛领域实现产业化落地：在光通信领域，为5G/6G技术提供“超高速、大容量”的传输通道；在量子计算领域，支撑更高维度OAM量子比特的编码与操控；在生物医学领域，为单细胞精准操控、超分辨成像提供核心技术工具。
    从实验室技术突破到产业化应用转化，超表面驱动的涡旋光束生成技术，正为动态光场调控领域的发展开辟新路径，为相关行业的技术革新提供关键支撑。