基于拟束缚态中莫比乌斯式对应可设计拓扑电荷的矢量激光

微小器件中的扭曲光

光不仅会发亮；它还能扭转、盘旋并携带复杂的模式，这些模式在先进显微镜、精密测量甚至安全通信中非常有用。问题在于，产生此类“结构光”通常需要体积庞大的光学装置或复杂组件。本文报道了一种在芯片上构建超紧凑激光器的方法，该激光器能发射具有可选“扭转”程度的旋转光束，为更小、更通用的光子技术打开了道路。

为什么扭曲光很重要

在普通手电筒或激光笔中，光的电场在统一方向上振荡。对于结构化光束，这一方向会在光束横截面上旋转，形成类似涡旋的模式。偏振绕中心旋转的圈数称为拓扑电荷。不同的电荷可以像额外的通道一样用于传输信息、对材料进行高灵敏度探测，或捕获并搬运微小颗粒。挑战在于，如何直接从单个微观激光器生成这些光束，并且让工程师能够预先选择所需的电荷。

穿孔薄膜中的隐藏序

作者使用一层非常薄的氮化硅薄膜，上面钻有规则的三角形阵列小孔，称为光子晶体薄膜。这类结构可以支撑被称为“连续态中的束缚态”（bound states in the continuum，BICs）的特殊光学模态，这些模态可强烈束缚光从而非常适合低损耗激光。当孔完全对称时，这些模态伴随有受对称性保护的固定扭曲模式，难以改变。本工作的关键想法是通过将孔轻微拉伸为椭圆并旋转它们来温和地打破这种对称性。这会把原有模态转变为“拟束缚”模态，这些模态仍能良好地束缚光，但其偏振方向变得可调。

形状与偏振之间的莫比乌斯式联系

通过系统性地旋转椭圆孔并研究激光发射的响应，团队发现了一个出人意料的简单关系：当实空间的旋转角从零扫到半圈时，特定共振下发射光的偏振会扫过整整两圈。这种行为可以映射到莫比乌斯带：沿带走一圈会以优雅连续的方式翻转方向。用实际术语来说，每一种孔旋转的选择都会产生可预测的偏振方向，并且不同结构的配对可能产生相同的偏振。这个莫比乌斯式的对应关系为将具有不同孔取向的晶体区域拼接在一起提供了设计规则，使偏振能在扇区之间平滑变化。

像拼图一样构建涡旋激光器

利用这本规则手册，研究者通过拼接多个角度扇区的光子晶体构建了“复合腔”，每个扇区具有不同的椭圆取向。当这些扇区围绕中心按重复模式排列时，会迫使所支持的激光模态的偏振绕中心缠绕，形成涡旋。重复扇区的数量及其排列顺序直接决定总的绕转数，也就是发射光的拓扑电荷。因此，腔的几何设计与输出光的电荷之间存在一一对应：按一个方向重复四次则得到+4电荷，反向排列则得到−4。作者使用常规纳米制造工具制作了这些复杂图案，并用短激光脉冲泵浦，测量到了与预测扭曲模式相匹配的高度定向发射。

面向未来光子的灵活平台

通过在单层器件中演示拓扑电荷范围从−5到+5的矢量激光，该工作表明复杂的结构光可以按需从紧凑的集成光源产生。工程师现在可以不依赖固定对称性或反复试错的模拟，仅通过选择包含多少个扇区以及如何取向其微小孔来设计所需光束的扭曲。这种方法可为未来的片上系统提供种子，使得并排产生多个不同电荷的光束成为可能，从而支持更高密度的光通信、更强大的成像方法以及在足以放入芯片的占位中实现精细可控的光-物质相互作用。

引用: 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

关键词: 结构光, 拓扑光子学, 涡旋激光器, 光子晶体薄膜, 集成光子学