Optica|手性度可调的高轨道角动量微激光器

近年来，微纳涡旋光场调控引起了广泛的研究兴趣。该领域的核心内容是赋予涡旋光在微纳尺度下的兼容与高效操纵能力，进而推动信息技术发展。创造涡旋光场的一种有效方式是在光学微腔中直接输出涡旋激光。这种涡旋微激光器腔体小巧、结构紧凑、光束质量高。因此，涡旋微激光器成为发展微纳涡旋光器件的重要平台，能够为信息技术领域提供集成化涡旋光源。

通常情况下，具有相反手性涡旋模式会同时在腔内振荡，从而输出叠加的轨道角动量(OAM)量子态：C₊|+l>+C_－|－l。其中，l代表量子数，归一化系数|C₊|²与|C_－|²之间的差值可以定义为该量子态的手性度（g_OAM=|C₊|²-|C_－|²）。对于OAM激光量子数与手性度的调控，是拓展轨道角动量量子态的重要手段。

目前，用于产生涡旋激光的光学微腔大多采用二维平面式的微腔结构，如环形微腔、螺旋形微腔等。这种二维平面式微腔通常具有精细的微纳结构以及固定的手性结构，这些因素限制了OAM激光量子数以及手性度的任意调控。

研究人员提出了微环-法布里-珀罗混合微腔结构，用于产生手性度可调的OAM激光。如图1所示，微腔由上下两面高反射镜片组成，其中，底面镜片表面镀有微环透镜结构，用于支持环形的OAM模式振荡。值得一提的是，两面镜片具有微小的夹角，从而打破了微腔的中心对称性。在这种对称性破缺的微腔中，光子具有不均匀的等效势分布（图1e）。因此，通过控制微环上的泵浦区域以管理腔内光子的振荡方向，从控制具有特定手性度的OAM激光产生。图1c-1g展示了OAM激光振荡的理论模拟结果：当泵浦位置在腔镜倾斜轴附近-θ₁与+θ₂之间移动时，振荡的OAM模式从|－l>连续变化到|+l>。这意味着其手性度g_OAM=|C₊|²-|C_－|²会逐渐从-1变化到+1。OAM模式的手性度可以通过控制泵浦位置来调节；同时，其量子数大小可以通过调节微环尺寸来调控。因此，这种新型微腔结构能够支持OAM激光手性度与量子数的任意调控。

图1：具有手性度可调的OAM激光产生原理。(a) OAM微激光器示意图。(b) 微环结构显微图样。比例尺：25 μm。(c)-(g) OAM激光产生的理论模拟。(c) 微腔侧视图。(d) 微腔俯视图。蓝色圆点表示微环上的泵浦区域。(e) 光子在微腔中的等效势分布。(f) 不同泵浦位置下的OAM模式场强分布。(g)不同泵浦区域下的OAM模式空间相位分布。

图2：具有可调手性度的高轨道角动量激光产生。(a) 微环的显微图样。蓝色圆点代表泵浦区域。比例尺：50 μm。(b) 不同泵浦位置下的OAM激光光斑图样。(c) 利用柱透镜转化后的光斑图样。(d) 相反手性涡旋模式的光强分布曲线。(e) 不同泵浦位置下所产生OAM激光模式纯度与手性度g_OAM。OAM激光的量子数为91。

图3：具有不同量子数的涡旋激光产生。(a)量子数大小分别为5，10，25，51，100的涡旋激光光斑图样。(b) 涡旋激光的光强分布曲线。(c) 涡旋激光经过柱透镜转换后的光斑图样。光斑的节线数与涡旋激光的量子数大小相同。(d) 涡旋激光的模式纯度谱图。

OAM微激光器的应用场景之一是利用空分复用、时域编码等手段进行信息编码。为了证明该激光器在信息技术方面的应用潜力，研究人员在概念上证明了多涡旋激光产生以及动态调控。通过在微腔内集成两个不同尺寸的微环结构，并利用两束同步的泵浦光分别激发两个微环，从而同时产生了两束具有不同量子数的涡旋激光 （图4a-4e）。此外，研究人员进一步利用两束不同步的泵浦激光，分别激发同一微环的不同位置，从而实现了涡旋激光手性的动态调控（图4f-4h）。原则上，动态调控的速度可以利用超短脉冲激光而显著提高。

该工作通过发展新型对称性破缺的光学微腔，实现了OAM激光手性度与量子数的任意调控，大大提高了OAM微激光器的光场调控能力。原则上，OAM激光的手性度在-1与1之间具有无穷多的数值，因此，手性度可调的OAM微激光器有望在高容量信息编码以及高安全性防伪等方面发挥作用。通过进一步在法布里-珀罗微腔内构建微环阵列，并与光流控技术结合，可发展出集成化的多维OAM微激光器阵列。

Zhen Qiao, Zhiyi Yuan, Song Zhu, Chaoyang Gong, Yikai Liao, Xuerui Gong, Munho Kim, Dawei Zhang, and Yu-Cheng Chen, “High orbital angular momentum lasing with tunable degree of chirality in a symmetry-broken microcavity,” Optica 10, 846-853 (2023)