导读
携带有轨道角动量(OAM)的涡旋光束被广泛用于高通量的光学信息复用，而实现片上、小型的涡旋光激光器对于推动涡旋光复用技术的产业落地至关重要。近日，上海理工大学顾敏院士、方心远副教授团队与中国科学院微电子研究所吴德馨院士团队合作提出了一种基于激光纳米三维(3D)打印集成OAM相位结构的垂直腔面发射涡旋光激光器，实现了微米级、可寻址的、可扩展拓扑荷数的片上涡旋光激光器阵列。通过双光子聚合激光3D打印技术集成OAM相位结构在垂直腔面发射激光器(VCSEL)上，可将VCSEL发出的高斯光束调制为涡旋光束。3D打印提供了更高的结构自由度。针对现有涡旋光激光器集成的相位结构空间带宽积不足，难以产生高阶涡旋光的问题，作者设计并打印了多层级联的螺旋相位板结构，通过将传统二维OAM相位结构扩展到三维来提高空间带宽积。最终，实现了拓扑荷数l=15，纯度为83.7%的涡旋光束。基于振镜模式的激光打印技术具有高效率、低成本的优势，并且该方法对VCSEL的类型没有特殊需求，不会影响VCSEL的光电特性。研究成果以“Nanoprinted Diffractive Layer Integrated Vertical-Cavity Surface-Emitting Vortex Lasers with Scalable Topological Charge”为题发表在《Nano Letters》上。
研究背景
随着人工智能、大数据的飞速发展，人类每日产生的数据量也在指数增加，实现高容量的信息复用是应对未来高数据吞吐量应用的有效途径。具有螺旋相位波前的涡旋光携带有轨道角动量，而轨道角动量具有的无穷正交特性使其被广泛用于各种光学信息复用技术中，包括：光通信、全息术、光学加密、光存储、光学人工智能等。实现片上、小型的涡旋光激光器对于推动涡旋光复用技术的产业落地至关重要。但是，现有方法中，存在OAM相位结构与激光源分离导致整个涡旋光源系统体积较大的问题。或者，在激光源与OAM相位结构集成的案例中，有限的激光源的出光面积导致OAM相位结构的空间带宽积不足，因此存在难以产生高阶涡旋光的问题，制约了OAM信息复用通道数的提高。
研究亮点
文章中，作者提出了一种基于激光纳米三维(3D)打印集成OAM相位结构的垂直腔面发射涡旋光激光器，实现了可寻址的、更高拓扑荷数的片上涡旋光激光器阵列。垂直腔面发射激光器(VCSEL)是一种半导体激光源，它具有体积小、高速度、低阈值、圆形光场、垂直出光、可阵列化的优势。如下图1所示，作者通过双光子聚合飞秒激光3D打印技术，将OAM叉形光栅通过打印的支架集成在单模正面发射的VCSEL器件上，从而使VCSEL发出的高斯光束经过叉形光栅的调制后变为涡旋光束。器件中，叉形光栅不与VCSEL的出光面直接接触，这样能够避免对VCSEL器件特性产生影响，同时，VCSEL的出光具有一定的发散性，该方案下可以增大OAM相位结构的有效光照面积，从而获得更大的空间带宽积。振镜模式下，激光3D打印具有较高的制造效率，单个OAM相位结构的集成仅约为20分钟。
图垂直腔面发射涡旋光激光器。(a)原理示意图。(b)激光3D打印示意图。(c-e)器件扫面电子显微镜图。
如下图2所示，作者实现了l=1到l=5的可寻址涡旋光激光器阵列，单个器件尺寸仅约为100微米×100微米。通过远场测试，可以看到随着l的增大，涡旋光的直径逐渐增大，该结果与模拟结果一致。同时，文章中，作者通过道威棱镜干涉法对涡旋光进行了测试，更进一步验证了涡旋光的拓扑荷数。功率-电流-电压测试结果证实了集成的OAM相位结构不会对VCSEL的光电特性产生影响。此外，作者还研究了使用单层螺旋相位板和使用多模VCSEL的实验结果。
此前研究中，研究人员通常将OAM相位结构集成在激光器的出光面上，由于微型激光器的出光面有限，导致OAM相位结构的空间带宽积有限。对于更高阶涡旋光束，其相位结构的相位阶跃更大，有限的空间带宽积造成了此前的方法难以实现更高拓扑荷数的涡旋光，目前报道的成果普遍低于l=5。激光3D打印赋予了OAM相位结构更高的结构自由度。在本研究中，作者通过设计级联的螺旋相位板(SPP)将传统二维平面的OAM相位结构拓展到三维来提高空间带宽积。如图3所示，作者打印了双层级联的SPP结构(分别为l=5和l=10)，从而实现了l=15的涡旋光束的产生。通过反向抵消实验，证明该涡旋光的纯度达到了83.7%。更多层的SPP级联也在实验中也被证明是有效的。
总结与展望
该研究实现了微型的、可寻址的、可扩展拓扑荷数的涡旋光阵列光源，有望推动OAM信息复用技术的小型化、集成化发展。下一阶段，为了实现更大的拓扑荷数，可以尝试优化VCSEL的器件结构来增大其发散角，从而增大有效光照面积来提高空间带宽积。此外，为了级联更多层的OAM相位结构，需要优化激光打印工艺，提高结构机械强度以及打印分辨率。激光3D打印等增材制造技术能够实现三维复杂结构的制造，从而在一些方面实现比二维光学元件更优越的性能。该研究的思路也可用于其他光电子器件的研究中，通过激光3D打印集成光学结构来赋予传统器件新的功能，或者提高其关键性能。
原标题：Nano Letters: 激光纳米打印技术实现微型有源涡旋光激光器
