通过将拉盖尔–高斯光束分解为三种赫米特–高斯模态并利用多束干涉实现可扩展光学涡阵列

会旋转并成百上千倍增的光

设想一束激光不是一条直而稳定的光线，而是一个微小的光龙卷，能够在细胞和纳米结构尺度上扭转并移动物质。再设想不只是一个这样的“旋风”，而是数千个它们，全部有序排列并同时发出。本文展示了一种利用出奇简单的光学装置创造巨大光学涡格子的方式——开启了在超并行制造、生物学和未来量子技术中的新可能性。

从单束光到旋转的光斑

普通的激光束以平滑、均匀的方式传递光。光学涡不同：其光强呈环形，中心为暗区，而波前像螺旋塞一样盘旋。这样的光束中每个光子都携带一种称为轨道角动量的“扭转”。这种扭转可以用来驱动微粒旋转、将材料塑造成手性（有“左右性”）结构，或在通信系统中编码额外信息。尽管科研人员长期以来知道如何生成少量此类涡，但将它们扩展为大规模、高功率的阵列——同时产生数千个涡——一直很困难。常用工具，如可编程空间光调制器和微纳结构超表面，要么难以承受高功率，要么只能产生有限数量的涡，或需要复杂的光学布置。

重新构想涡光的构建方式

作者重新审视了涡束的经典数学描述并赋予其新的构型。传统上，涡束可以通过组合两种互相垂直的简单光场来构建。在这项工作中，团队展示了可以改为表示为三种相似模式的叠加，每种模式相互旋转60度。看似微小的改变带来了重要收益：这三种旋转的模式可以由三对相互干涉的激光束来实现。当六束光对称地围绕中心轴排列并重叠时，它们的干涉会自动生成重复的甜甜圈状光斑图案，并具有确定的扭转相位。换言之，许多涡同时出现，排列成三角晶格，且在大面积上产生的涡数量没有内在上限。

将理论转化为高功率光源

为了验证概念，研究者构建了一个紧凑的“4f”光学系统，仅使用两片透镜、一个带图案的衍射元件和一个螺旋相位片。单束入射激光首先被分成向外成扇形的六束光。透镜随后将这些光束重新会聚，使它们再次相遇，干涉形成规则的三角图案。螺旋相位片添加了使每个光斑具有涡性特征的螺旋相位。利用这一简单配置，团队在峰值功率为58兆瓦的条件下创建了约3070个相干光学涡阵列——在涡数量和输出功率上相比领先的可编程和超表面方法均提升了超过一千倍。模拟与精确测量证实，每个明亮的环形处都隐含一个中心相位奇点，这是典型涡的标志。

在金属上刻写微小扭曲结构

高功率不仅是用来夸耀的；它对于直接加工材料至关重要。作者在阵列模式下使用纳秒级的绿色激光脉冲照射铜表面。结果是在与涡格子相对应的位置出现了规则的圆形烧蚀斑，并且在某些最暗的中心点生成了具有明显手性的微针状结构。将光的扭转方向反转会翻转这些纳米针的手性，这清楚地表明涡阵列中的轨道角动量被传递到了材料上。值得注意的是，由于该过程同时使用了许多涡并采用了有利的波长，每个微小扭曲特征所需的能量大约比早期单束实验低了约一千倍。

这一突破的未来意义

通过将一种新的涡束描述方法与直接的干涉方案结合，本工作提供了一种新型光学引擎：一种可扩展、稳健的数千个高功率光学涡源。该装置结构紧凑，采用标准组件，并且在原理上可以推动到更细的间距和更高的功率。对于非专业读者，结论很明确：我们现在拥有了一种实用方法来创建广阔、有序的“微型光龙卷城市”，每一个都能在微米和纳米尺度上扭转、分拣或写入结构。这为大规模并行激光加工、先进手性光子学以及未来在数千个涡同时协作中探究量子与非线性效应的实验打开了大门。

引用: 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

关键词: 光学涡, 激光干涉, 轨道角动量, 涡阵列, 手性纳米结构