Масштабируемые решётки оптических вихрей, обеспеченные разложением пучков Лагерра–Гаусса на три моды Гермече–Гаусса и многолосовое интерферирование

Свет, который закручивается и множится

Представьте себе лазерный пучок не как прямой ровный луч, а как крошечный торнадо света, способный закручивать и перемещать вещество в масштабе клеток и наноструктур. А теперь представьте не один такой «вихрь», а тысячи их, идеально упорядоченных и сработанных одновременно. В этой статье показано, как создавать обширные решётки таких закрученных световых пятен — оптических вихрей — с помощью удивительно простой оптической схемы, открывающей новые возможности для ультра-параллельного производства, биологии и будущих квантовых технологий.

От одиночных пучков к вихрям света

Обычные лазерные пучки передают свет ровно и равномерно. Оптические вихри иные: их интенсивность образует кольцо с тёмным центром, а фронт волны закручивается, как пробка. Каждый фотон в таком пучке несёт «скрутку», известную как орбитальный угловой момент. Эту скрутку можно использовать, чтобы вращать микрочастицы, формировать материалы в хиральные («право-/левовращательные») структуры или кодировать дополнительную информацию в системах связи. Хотя способы получения нескольких таких вихрей известны давно, превращение их в большие мощные массивы — тысячи одновременно — было сложной задачей. Обычные инструменты, такие как программируемые пространственные модуляторы света и наноструктурированные метаповерхности, либо не выдерживают высоких мощностей, либо дают лишь ограниченное число вихрей, либо требуют сложных установок.

Переосмысление построения вихревого света

Авторы возвращаются к классическому математическому описанию вихревых пучков и придают ему новый поворот. Традиционно вихревой пучок строят комбинированием двух простых лазерных паттернов под прямым углом. В этой работе команда показывает, что его можно представить как сумму трёх похожих паттернов, каждый из которых повёрнут на 60 градусов. Это, на первый взгляд, небольшое изменение даёт большой выигрыш: эти три повернутых паттерна могут быть реализованы как три пары лазерных лучей, интерферирующих друг с другом. Когда шесть лучей располагаются симметрично вокруг центральной оси и перекрываются, их интерференция автоматически порождает повторяющуюся структуру донатоподобных световых пятен с чётко заданной скруткой. Иными словами, многие вихри появляются одновременно, упорядоченные в треугольную решётку, без внутреннего верхнего предела на их количество по большой площади.

От теории к мощному световому мотору

Чтобы подтвердить концепцию, исследователи собрали компактную оптическую систему «4f», использующую лишь две линзы, структуру дифракционного элемента и спиральную фазовую пластинку. Входной лазерный пучок сначала разделяется на шесть лучей, исходящих симметрично. Линзы затем фокусируют эти лучи так, что они снова сходятся, где их интерференция формирует регулярную треугольную решётку. Спиральная пластинка добавляет винтовую фазу, наделяющую каждое пятно вихревым характером. С этой простой схемой команда создала массив примерно из 3070 когерентных оптических вихрей при пиковом уровне мощности 58 мегаватт — более чем тысяче-кратный прирост как по числу вихрей, так и по мощности по сравнению с ведущими программируемыми и метаповерхностными методами. Моделирование и тщательные измерения подтвердили, что каждое яркое кольцо скрывает центральную фазовую сингулярность, отличительный признак истинного вихря.

Запись крошечных закрученных структур в металле

Высокая мощность — это не только предмет гордости; она необходима для прямого формирования материалов. Используя наносекундные зелёные лазерные импульсы в режиме массива, авторы облучали медную поверхность. Результатом стала регулярная сеть круговых абляционных пятен, соответствующих решётке вихрей, а в некоторых самых тёмных центральных точках возникли крошечные игольчатые структуры с отчётливой хиральностью. Изменение направления закрутки света обращало хиральность этих наноиголок, что является явным свидетельством переноса орбитального углового момента из вихревого массива в материал. Примечательно, что поскольку процесс использует многие вихри одновременно и выгодную длину волны, энергия, требуемая для формирования каждой крошечной закрученной структуры, была примерно в тысячу раз меньше, чем в ранних экспериментах с одиночным пучком.

Какие перспективы открывает это достижение

Сочетая новый способ описания вихревых пучков с простой схемой интерференции, эта работа создаёт новый тип оптического «мотора»: масштабируемый, надёжный источник тысяч высокомощных оптических вихрей. Установка компактна, использует стандартные компоненты и теоретически может быть доведена до ещё более мелкого шага решётки и большей мощности. Для неспециалиста посыл прост: у нас теперь есть практический способ создавать обширные, упорядоченные «города» крошечных световых торнадо, каждое из которых способно закручивать, сортировать или писать структуры на микро- и наноуровне. Это открывает путь к массовопараллельной лазерной обработке, продвинутой хиральной фотонике и будущим экспериментам, где квантовые и нелинейные эффекты исследуются не по одному вихрю, а тысячами одновременно.

Цитирование: Nakata, Y., Miyanaga, N., Kosaka, Y. et al. Scalable optical vortex arrays enabled by the decomposition of Laguerre–Gaussian beams into three Hermite–Gaussian modes and multibeam interference. Light Sci Appl 15, 193 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02254-0

Ключевые слова: оптические вихри, лазерное интерферирование, орбитальный угловой момент, решётки вихрей, хиральные наноструктуры