【Science Advances】北京邮电大学突破：基于MEMS-超表面的多阶涡旋光束高速切换技术

前言

  在过去十年间，光场灵活操控技术发展迅猛，从激光腔直接调制和发射结构化光束备受关注。携带轨道角动量（OAM）的涡旋光束在光通信、超分辨显微镜、激光干涉测量、OAM 全息术、成像及粒子操控等众多领域需求极大。传统上，实现从高斯模式到涡旋模式的转换，常需在激光腔内集成衍射光栅、涡旋波片等光束整形光学元件。近期发展的集成光学涡旋微梳，利用精心设计的角光栅修饰非线性微环谐振器，在片上高维结构化光源实现方面取得重要进展。

  本文提出了一种基于微机电系统（MEMS）和光学超表面（OMS）的动态模式可切换涡旋激光器。通过将MEMS驱动的可调超表面集成到激光腔中，我们实现了高斯模式与不同阶数涡旋模式之间的高速切换（约100微秒），同时保持了高模式纯度（>95%）。这种设计不仅显著提升了激光器的灵活性和功能性，还为紧凑型动态激光源的发展提供了新的思路。

图文速览

图 1.模式可切换的涡旋激光器设计。

图 2.MEMS-OMS 单元设计。

图 3.MEMS-OMS 设计、制造和表征 （λ = 1030 nm）。

图 4.启用 MEMS-OMS 的模式切换涡旋激光器：实验。

( 总结展望 )

  本文展示了一种基于MEMS-OMS的动态激光器，可在约1030nm波长处实现高斯模式和涡旋模式的切换。激光器采用V形腔结构，由光纤镜（FM）、MEMS-OMS和输出耦合器（OC）组成，结构简单且易于调节。通过精确调整MEMS镜的驱动电压，能产生高纯度（>95%）、快速切换（~100μs）的激光模式。腔内MEMS-OMS、法拉第旋转器（FR）和四分之一波片（QWP）协同工作，确保了激光腔内偏振和模式分布在高斯和涡旋两种工作状态下，每次往返都能自洽演化。同时，还实现了高斯模式与高阶涡旋光束（l=2,3,5）之间的高对比度切换。

  这项研究的创新点在于将MEMS技术与光学超表面相结合，为激光模式动态调控提供了一种紧凑且高效的解决方案。其潜在应用涵盖了光学成像、粒子操控、光学加工和智能光子学等多个领域。未来，通过进一步优化MEMS镜的设计和超表面的性能，可以进一步提升激光器的响应速度和模式切换范围，为先进光学系统的发展奠定基础。

本文研究团队来自北京邮电大学、南丹麦大学、SINTEF Smart Sensors and Microsystems 等机构。北京邮电大学的 State Key Laboratory of Information Photonics and Optical Communications 团队的 Chuanshuo Wang、Xianglong Mei、Lili Gui、Hao Chen、Fei Ding、Kun Xu 参与研究；南丹麦大学 Centre for Nano Optics 团队的 Chao Meng、Paul C. V. Thrane、Sergey I. Bozhevolnyi 参与研究；SINTEF Smart Sensors and Microsystems 团队的 Paul C. V. Thrane 参与研究。

DOI：10.1126/sciadv.adq6299