Векторное лазерное излучение с настраиваемыми топологическими зарядами на основе Möbius-подобной соответствия в квази-BIC

Скручивание света в миниатюрных устройствах

Свет может не только просто светить; он способен скручиваться, вихриться и нести сложные узоры, полезные для продвинутой микроскопии, точных измерений и даже защищённых коммуникаций. Проблема в том, что генерация такого «структурированного света» обычно требует громоздкой оптики или сложных компонентов. В этой работе показан способ создания ультракомпактных лазеров на чипе, излучающих скрученные пучки с заранее заданной величиной «скрутки», что открывает путь к более компактным и универсальным фотонным технологиям.

Почему важен скрученный свет

В обычных фонариках или указках электрическое поле света колеблется в одном направлении. В структурированных пучках это направление может вращаться по сечению пучка, образуя вихревый узор. Число витков поляризации вокруг центра называют топологическим зарядом. Разные заряды можно использовать как дополнительные каналы для передачи информации, для высокочувствительного зондирования материалов или для захвата и перемещения микрочастиц. Задача заключалась в том, чтобы непосредственно из одного микроскопического лазера получить такие пучки и при этом дать инженерам возможность заранее выбрать требуемый заряд.

Скрытый порядок в перфорированной пленке

Авторы работают с очень тонкой пленкой нитрида кремния, просверленной в регулярную треугольную решётку маленьких отверстий — так называемой пластинкой фотонного кристалла. Такие структуры поддерживают особые режимы света, называемые связанными состояниями в континууме (bound states in the continuum), которые сильно задерживают свет и потому хороши для низкопотерьных лазеров. При идеально симметричных отверстиях эти режимы обладают фиксированными, защищёнными симметрией узорами поляризации, которые трудно изменить. Ключевая идея работы — мягко нарушить симметрию, растянув отверстия в эллипсы и повернув их. Это превращает исходные режимы в «квази-связанные» режимы, которые по-прежнему хорошо удерживают свет, но направление поляризации становится настраиваемым.

Möbius-подобная связь формы и поляризации

Путём систематического вращения эллиптических отверстий и изучения реакции лазерного излучения группа обнаружила удивительно простую зависимость: при изменении угла поворота в реальном пространстве от нуля до половины оборота поляризация излучаемого света на конкретном резонансе проходит полный двойной оборот. Это поведение можно отобразить на ленту Мёбиуса, где один обход по ленте элегантно меняет ориентацию. В практическом смысле каждый выбор ориентации отверстий даёт предсказуемое направление поляризации, а пары различных структур могут приводить к одинаковой поляризации. Эта Möbius-подобная соответствия служит практическим правилом проектирования для стыковки областей кристалла с разной ориентацией отверстий так, чтобы поляризация менялась плавно от сектора к сектору.

Построение вихревых лазеров как пазла

Используя это правило, исследователи конструируют «сложные резонаторы», сводя воедино несколько угловых секторов фотонного кристалла, каждый со своей ориентацией эллипса. При размещении в повторяющемся узоре вокруг центральной точки эти сектора заставляют поляризацию поддерживаемого лазерного режима закручиваться вокруг центра, формируя вихрь. Количество повторяющихся секторов и их порядок напрямую задают полное число витков, то есть топологический заряд излучаемого пучка. В результате геометрический дизайн резонатора однозначно соответствует заряду выходного света: повторите узор четыре раза в одном направлении — получите заряд +4, поменяйте направление — получите −4. Авторы изготовили эти замысловатые узоры стандартными инструментами нанофабрикации и возбуждали их короткими лазерными импульсами, измерив направленное излучение, соответствующее предсказанным скрученным узорам.

Гибкая платформа для будущей фотоники

Показав векторное лазерное излучение с топологическими зарядами от −5 до +5 в одностороннем устройстве, работа демонстрирует, что сложный структурированный свет можно генерировать по требованию из компактных интегрированных источников. Вместо опоры на фиксированную симметрию или метод проб и ошибок в симуляциях, инженеры теперь могут задать желаемую скрутку пучка простым выбором числа секторов и ориентации их микроскопических отверстий. Этот подход может положить начало будущим он-чип системам, где рядом будут генерироваться несколько пучков с разными зарядами, обеспечивая более плотные оптические коммуникации, улучшенные методы изображений и тонко управляемые взаимодействия света и вещества на площади, достаточно маленькой, чтобы поместиться на чипе.

Цитирование: Wang, X., Wu, Z., Wang, J. et al. Vectorial lasing with designable topological charges based on Möbius-like correspondence in quasi-BICs. Light Sci Appl 15, 184 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02269-7

Ключевые слова: структурированный свет, топологическая фотоника, вихревые лазеры, пластинки фотонных кристаллов, интегрированная фотоника