《Light Sci Appl》突破：vdW材料实现亚波长光学涡旋生成，转换效率达46%

前言

近日，国际顶尖光学期刊《Light: Science & Applications》上发表了一项突破性研究。来自韩国汉阳大学（Hanyang University）和澳大利亚墨尔本大学（University of Melbourne）等机构的联合研究团队成功利用范德华（vdW）材料，无需任何复杂的纳米加工工艺，直接生成了携带轨道角动量（OAM）的光学涡旋光束。这项研究为实现超紧凑、低成本、高性能的光学涡旋发生器开辟了新途径。

DOI：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01926-7

核心内容

1.问题与挑战：光学涡旋光束（俗称“光学漩涡”）因其独特的螺旋形波前和携带的轨道角动量，在光学操控、量子通信、显微成像等领域应用前景广阔。然而，目前主流的涡旋产生技术（如螺旋相位板、q板、超表面、集成微梳等）要么体积庞大，要么依赖昂贵且精密的纳米加工，还常受限于加工误差导致的信噪比低等问题。

2.创新方案：研究团队另辟蹊径，利用自旋轨道耦合（SpinOrbit Coupling）这一物理机制。该机制的核心是：当圆偏振光（具有自旋角动量SAM）穿过特定的光学各向异性介质时，其自旋状态（左旋/右旋）可以部分转换成轨道自由度（OAM），从而产生涡旋光束，且无需任何人工设计的纳米结构。

3.材料利器-巨大双折射：实现高效自旋轨道耦合的关键在于材料的双折射率。传统晶体（如铌酸锂LN、偏硼酸钡BBO）双折射率较低，需要毫米级的厚度才能达到可观的转换效率。本研究则利用了范德华材料（如六方氮化硼hBN、二硫化钼MoS₂） 的巨大双折射特性：

   hBN：在可见光波段具有高双折射(no~2.15, ne~1.86 @594nm)。

  MoS₂：在近红外波段具有极高的光学各向异性(no~4.7, ne~2.7@750nm)。

4.突破性成果：

   使用仅8微米（μm）厚的hBN晶体薄片，成功生成了拓扑荷为±2的光学涡旋光束。

   使用26μm厚的MoS₂晶体，实现了高达0.46的自旋轨道转换效率（接近理论最大值0.5）。

   更惊人的是：他们甚至在320纳米（nm）厚的MoS₂薄片（亚波长尺度！）上观察到了自旋轨道耦合效应，并获得了0.09的转换效率。这证明了该技术可进一步微型化。

   理论预测：通过数值模拟，研究团队证明，如果使用圆偏振贝塞尔光束（Bessel beam）入射，在优化条件下（选择合适的横向波矢和晶体厚度），利用vdW材料（如hBN或MoS₂）可以实现接近100%（η≈1）的超高转换效率，同时器件厚度可进一步减小（如MoS₂模拟显示仅需~10μm）。

5.验证方法：实验通过搭建干涉光路，清晰地观测到了输出光束的环形强度分布和螺旋干涉条纹，直接验证了产生的涡旋光束及其拓扑荷(±2)。

研究意义

开辟新途径：为制备“无加工”（fabricationless）、超紧凑的光学涡旋发生器提供了一条全新的、高效的路径。

   突破尺寸极限：将涡旋发生器的厚度大幅缩减至微米甚至亚波长尺度，极大推动了光学涡旋技术在集成光子芯片中的应用潜力。

   大规模应用前景：简单、超薄的结构特性使得构建大规模涡旋光束阵列成为可能，有望在高速光通信（提升信道容量）、高维量子信息处理（OAM量子比特）、超分辨成像、新型光学镊子等众多领域带来革新。

   材料平台价值：展示了vdW材料凭借其独特的巨大双折射特性，在操控光场（特别是角动量维度）方面具有不可替代的优势，为下一代纳米光子器件设计提供了重要平台。

这项研究巧妙地利用自然界材料的优异特性，绕过了复杂制造的瓶颈，为未来紧凑型、高性能光子器件的开发点亮了明灯。超薄材料操控“光漩涡”的时代，正在开启！

图1：使用范德瓦尔斯（van der Waals）晶体生成光学涡旋的示意图及基于六方氮化硼（hexagonal boron nitride）晶体的模拟结果

图2：使用六方氮化硼（hBN）晶体生成光学涡旋的实验验证

图3：自旋-轨道转换效率的预测与测量结果

图4：贝塞尔光束（Bessel beam）在六方氮化硼（hBN）晶体中的自旋-轨道耦合

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