近日，波蘭華沙大學(xué)與法國(guó)克萊蒙奧弗涅大學(xué)等團(tuán)隊(duì)在《Science Advances》上發(fā)表重要研究成果，首次在液晶拓?fù)湮⑶恢袑?shí)現(xiàn)了基態(tài)軌道角動(dòng)量（OAM）激光輸出。該研究中，Cobolt Tor XS激光器作為核心激發(fā)光源，為關(guān)鍵的光致發(fā)光與激光實(shí)驗(yàn)提供了穩(wěn)定可靠的泵浦激勵(lì)。
攜帶軌道角動(dòng)量的激光，為什么重要？
攜帶軌道角動(dòng)量（OAM）的激光束，因其螺旋波前結(jié)構(gòu)而具有獨(dú)特的物理性質(zhì)，在光鑷操控、超高速光通信和量子計(jì)算等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。然而，傳統(tǒng)產(chǎn)生OAM光束的方法依賴體光學(xué)元件來(lái)給入射光束"印上"所需的相位分布，這些方法既不可擴(kuò)展，也難以調(diào)諧，還對(duì)入射光束有嚴(yán)格限制。
因此，如何實(shí)現(xiàn)片上OAM激光器，一直是光子學(xué)領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。
拓?fù)淙毕?扭子"：自組裝的光子陷阱
這項(xiàng)研究選擇了一條獨(dú)特的技術(shù)路徑——利用液晶中的拓?fù)淙毕荨?/p>
圖1手性向列相液晶拓?fù)渥?（A）內(nèi)嵌拓?fù)渥咏Y(jié)構(gòu)的染料摻雜光學(xué)微腔示意圖。垂直偏振態(tài)（綠色雙向箭頭）沿 y 軸定義（與光譜儀狹縫平行），水平偏振態(tài)（紫色雙向箭頭）沿 x 軸定義（與狹縫垂直）。 （B）基本拓?fù)渥拥闹赶蚴阜植际疽鈭D。 （C）至（E）不同薄膜厚度 d（局部微腔厚度）下，拓?fù)渥拥恼黄獍坠馔干鋱D像。 （F）受限在液晶微腔內(nèi)的單個(gè)拓?fù)渥拥膭?dòng)量分辨透射光譜；（G）空間分辨透射光譜。
研究團(tuán)隊(duì)制備了一種特殊的光學(xué)微腔：由兩個(gè)基于TiO?/SiO?的分布式布拉格反射鏡構(gòu)成，腔內(nèi)填充垂面取向的液晶基質(zhì)。在取向?qū)邮┘咏Y(jié)構(gòu)擾動(dòng)的區(qū)域，手性拓?fù)淙毕輹?huì)自發(fā)形成，這種缺陷被稱為"扭子"（toron）。扭子的微觀結(jié)構(gòu)可以理解為一個(gè)雙扭曲圓柱彎曲成環(huán)面，具有霍普夫纖維化的拓?fù)涮卣鳌?/p>
圖 2 液晶微腔中單拓?fù)渥邮`光子態(tài)的光譜與偏振特性 實(shí)驗(yàn)結(jié)果[(A) 至 (N)]：分別為第一激發(fā)態(tài) (A 至 C) 與基態(tài) (D 至 F) 對(duì)應(yīng)的動(dòng)量空間斯托克斯參數(shù) S?、S?、S?分布；動(dòng)量分辨 (G) 與空間分辨 (H) 透射光譜，其中黑色與白色箭頭分別指示第一激發(fā)態(tài)與基態(tài)的能量；分別為第一激發(fā)態(tài) (I 至 K) 與基態(tài) (L 至 N) 對(duì)應(yīng)的實(shí)空間斯托克斯參數(shù) S?、S?、S?分布。 理論結(jié)果 [(O) 至 (BB)]：分別為前兩個(gè)簡(jiǎn)并激發(fā)態(tài) (O 至 Q) 與基態(tài) (R 至 T) 對(duì)應(yīng)的動(dòng)量空間斯托克斯參數(shù) S?、S?、S?分布；分別沿 k?=0 與 y=0 方向的動(dòng)量 (U) 與實(shí)空間 (V) 強(qiáng)度光譜；分別為前兩個(gè)簡(jiǎn)并激發(fā)態(tài) (W 至 Y) 與基態(tài) (Z 至 BB) 對(duì)應(yīng)的實(shí)空間斯托克斯參數(shù) S?、S?、S?分布。
這些扭子就像天然的光子陷阱，能夠束縛一系列局域光學(xué)態(tài)，形成束縛勢(shì)。更令人驚訝的是，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，扭子內(nèi)部空間變化的液晶分子取向產(chǎn)生了等效的非阿貝爾規(guī)范場(chǎng)，正是這個(gè)規(guī)范場(chǎng)驅(qū)動(dòng)了一種拓?fù)滢D(zhuǎn)變——基態(tài)與激發(fā)態(tài)的順序發(fā)生了反轉(zhuǎn)。
在常規(guī)物理系統(tǒng)中，基態(tài)通常是"最簡(jiǎn)單"的狀態(tài)——沒有節(jié)點(diǎn)、沒有角動(dòng)量。但在這項(xiàng)研究中，由于非阿貝爾規(guī)范場(chǎng)的作用，基態(tài)竟然攜帶了非零的軌道角動(dòng)量，而通常意義上的"正常"基態(tài)反而被推到了更高的能量位置。
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)偏振分辨的動(dòng)量空間和實(shí)空間透射光譜，對(duì)單個(gè)扭子束縛的光子態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)的表征。他們觀察到：基態(tài)在動(dòng)量空間中心呈現(xiàn)強(qiáng)度極小值，而第一激發(fā)態(tài)在中心呈現(xiàn)強(qiáng)度極大值——這與常規(guī)的"節(jié)點(diǎn)定理"預(yù)期恰好相反。
電場(chǎng)可調(diào)：拓?fù)湎嘧兊膭?dòng)態(tài)操控
除了OAM激光的首次實(shí)現(xiàn)，該工作還展示了液晶體系獨(dú)特的可調(diào)諧優(yōu)勢(shì)。通過(guò)在透明ITO電極上施加交流電壓，可以動(dòng)態(tài)壓縮扭子的尺寸，從而調(diào)控其能譜結(jié)構(gòu)。
圖 3 攜帶軌道角動(dòng)量的激光發(fā)射 （A）激光閾值以下、（B）激光閾值以上測(cè)得的動(dòng)量分辨光致發(fā)光光譜。 （C）單個(gè)拓?fù)渥拥乃狡瘢ǚ凵琀）與垂直偏振（綠色，V）激光信號(hào)疊加后的實(shí)空間圖像。 （D）、（E）分別為右旋圓偏振（σ?）與左旋圓偏振（σ?）下采集的干涉圖樣。 方向相反的叉狀圖樣表明，兩種圓偏振態(tài)攜帶符號(hào)相反的軌道角動(dòng)量（OAM）。 比例尺：1.5 μm。
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)扭子直徑較小時(shí)（約3.1 μm），能態(tài)呈現(xiàn)"正常"排序，基態(tài)無(wú)OAM；隨著扭子尺寸增大（約6.1 μm），系統(tǒng)經(jīng)歷了拓?fù)滢D(zhuǎn)變，基態(tài)變?yōu)閿y帶OAM的狀態(tài)。理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在轉(zhuǎn)變區(qū)域高度吻合，充分驗(yàn)證了這一拓?fù)滢D(zhuǎn)變的物理本質(zhì)。
不過(guò)，研究團(tuán)隊(duì)也指出，減小扭子尺寸并不能實(shí)現(xiàn)從拓?fù)浞瞧接箲B(tài)到平庸態(tài)的激光切換，因?yàn)檫@一過(guò)程會(huì)同時(shí)降低兩個(gè)模式的品質(zhì)因子，激光在拓?fù)滢D(zhuǎn)變發(fā)生之前就已經(jīng)消失了。
這項(xiàng)工作實(shí)現(xiàn)了三大突破：首次在液晶拓?fù)湮⑶恢袑?shí)現(xiàn)了基態(tài)OAM激光；揭示了空間變化雙折射等效非阿貝爾規(guī)范場(chǎng)驅(qū)動(dòng)拓?fù)滢D(zhuǎn)變的物理機(jī)制；展示了電場(chǎng)調(diào)控拓?fù)湎嘧兊膭?dòng)態(tài)操控能力。
研究團(tuán)隊(duì)在論文中展望，這項(xiàng)研究為非阿貝爾規(guī)范場(chǎng)在光子系統(tǒng)中的基礎(chǔ)研究和潛在應(yīng)用開辟了廣闊前景。而對(duì)于Cobolt激光器而言，這篇頂刊論文再次證明了其在前沿光子學(xué)研究中的可靠性和不可替代性——當(dāng)科學(xué)家需要用精確的光脈沖去激發(fā)微觀世界中的拓?fù)淦嬗^時(shí)，Cobolt始終是值得信賴的伙伴。
Cobolt激光器
為了驗(yàn)證基態(tài)確實(shí)攜帶軌道角動(dòng)量，研究團(tuán)隊(duì)需要在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)并觀測(cè)激光發(fā)射。Cobolt Tor XS激光器在這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)發(fā)揮了不可替代的作用。
該激光器是一款調(diào)Q二極管泵浦固體激光器，中心波長(zhǎng)532 nm，脈沖寬度約2 ns。研究團(tuán)隊(duì)使用它作為泵浦光源，激發(fā)摻有激光染料Pyrromethene 580的液晶微腔樣品，從而實(shí)現(xiàn)了單個(gè)扭子態(tài)的激光發(fā)射。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：在泵浦能量低于激光閾值時(shí)，光譜中最強(qiáng)的信號(hào)來(lái)自扭子周圍區(qū)域的微腔模式，基態(tài)的自發(fā)發(fā)射信號(hào)較弱；而當(dāng)泵浦能量超過(guò)閾值后，發(fā)射信號(hào)完全由基態(tài)激光主導(dǎo)，其在k=0處呈現(xiàn)強(qiáng)度極小值——這正是OAM光的標(biāo)志性特征。
進(jìn)一步地，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)單個(gè)扭子的激光信號(hào)進(jìn)行了干涉測(cè)量。在σ?和σ?圓偏振下，分別觀察到了叉形干涉條紋，且兩種偏振下的條紋方向恰好相反，這直接證實(shí)了激光基態(tài)在兩個(gè)正交圓偏振分量中攜帶了符號(hào)相反的軌道角動(dòng)量。
簡(jiǎn)言之，正是Cobolt Tor XS激光器提供的穩(wěn)定、精確的納秒脈沖激勵(lì)，才使得研究團(tuán)隊(duì)能夠跨越自發(fā)輻射到受激輻射的閾值，將扭子微腔中的OAM基態(tài)"點(diǎn)亮"為可觀測(cè)的激光輸出，從而完成了對(duì)拓?fù)滢D(zhuǎn)變現(xiàn)象的完整實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
參考論文
"Ground-state orbital angular momentum lasing from liquid crystal torons embedded in a microcavity," Science Advances(2026).
