封面|光涡旋与手性器件微纳3D打印

Photonics Research 2024年第1期封面文章：

Mengdi Luo, Jisen Wen, Pengcheng Ma, Qiuyuan Sun, Xianmeng Xia, Gangyao Zhan, Zhenyao Yang, Liang Xu, Dazhao Zhu, Cuifang Kuang, Xu Liu. Three-dimensional nanoscale vortex line visualization and chiral nanostructure fabrication of tightly focused multi-vortex beams via direct laser writing[J]. Photonics Research, 2024, 12(1): 70

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携带轨道角动量的涡旋光束在光通信、光学操纵、光学成像等领域有重要应用，然而如何在微纳尺度上对紧聚焦的涡旋光束光场进行精准追迹仍然极具挑战，传统方法，如：干涉法、饱和光强法等，往往面临着测量设备复杂、追迹精度低、结果不直观等问题。该封面文章另辟蹊径，利用双光子激光直写单次曝光技术，在光刻胶中精准且直观地记录下多涡旋光束的传播轨迹，并高效地制备出三维手性微纳器件，研究成果在复杂光场调控、光学传感、手性光学器件等方面有重要应用前景。

——陈杨教授，中国科学技术大学

Photonics Research青编委

涡旋是自然界中一种常见的现象，比如水中的漩涡、空气中的龙卷风和宇宙中的涡状星系。20世纪，Richaeds和Boivin等人在光波波场中也发现并证明了涡旋现象的存在。1992年，Allen等人证明了涡旋光束携带轨道角动量（OAM），由于其特殊的波前和OAM特性，涡旋光束被广泛应用于光学捕获、量子通信与生物成像等领域。

通常情况下，涡旋光束的相位可以描述为exp(impφ)，其中，m被称为拓扑电荷，φ为角向坐标。传统的涡旋光束只在光轴附近形成一条涡旋线，在传输过程中保持稳定的演化特性。更加复杂的光场通常拥有复杂涡旋线演化轨迹，这些涡旋线决定光场的拓扑特性。观察涡旋的空间演化通常采用的方法有：干涉法、饱和光强法、数值搜索算法等，但这些方法存在实验设备复杂、精度不高、不够直观等问题。并且，现有方法通常用于观察自由空间传播的涡旋线，在微纳尺度下，紧聚焦光场的涡旋追迹仍未实现。

为解决以上问题并实现高效三维手性结构的激光制造，之江实验室、浙江大学刘旭教授、匡翠方教授课题组，利用双光子激光直写（2PP-DLW）单次曝光技术，揭示了微纳尺度下，多涡旋光束涡旋线的演化特性。同时，利用该光束结合体曝光激光直写方法实现了高效的三维手性器件的制造。相关研究成果发表于Photonics Research 2024年第1期，并被遴选为封面文章。

为了打破传统的涡旋光束均匀对称的甜甜圈型能量分布，使其拥有更加复杂有趣的空间涡旋结构，文中构造了多涡旋光束（MVBs）。MVBs在入瞳处的表达式可以表示为：

$$E_i(u,v)=\exp ?(-\frac{u^2+v^2}{w_0^2})\mathrm{\Phi }(u,v)$$

其中， (u, v)表示笛卡尔坐标系，w₀是入射高斯光束的束腰半径，

$$\Phi (u,v)=\prod _{n\prime =1}^{\left|m\right|}{\left[\frac{(u+a{cos\phi }_{n\prime })+i(v+a{sin\phi }_{n\prime })}{\sqrt{{(u+a{cos\phi }_{n\prime })}^2+{(v+a{sin\phi }_{n\prime })}^2}}\right]}^{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{g}\mathrm{n}\left[m\right]}.$$

a代表每个涡旋初始离轴距离。利用Richards-Wolf矢量衍射积分理论计算，可以获得MVBs焦平面附近波前演化特性。图1（a）和1（b）理论上展示了在紧聚焦过程中，MVBs的两个涡旋奇点的螺旋向前特性，图1（c）则展示了在紧聚焦过程中，随着相位奇点的旋转，其能量分布也呈现旋转特性。如图1（d）所示，通过高NA的油镜，将MVBs紧聚焦至正性光刻胶上，通过单次双光子激光体曝光的形式，可以直观地记录下螺旋向前的涡旋轨迹。

图1（a）多涡旋光束的可视化涡旋线演化，图中还展示了紧聚焦过程中的能量分布和相位分布；（b）展示了（a）图中涡旋线演化的俯视图;（c）为紧聚焦过程中，不同位置处MVBs的能量演化特性，其中m = 2，a = 0.375 mm;（d）为扫描电子显微镜（SEM）照片，展示了通过单次体曝光的双光子激光直写方法在正性光刻胶光记录下的多涡漩光束涡旋线演化过程

MVBs特殊的波前螺旋向前的特性，导致光强分布在空间具有螺旋分布。利用该特性并结合激光直写单次曝光技术，可以制备手性微纳器件。相较于传统的点对点直写技术，本文中的方法可以有效地提高加工效率。图2（b）、2（c）和2（e）展示了在负性光刻胶上三维手性器件的打印结果。同时，我们还测试图2（e）所示三维手性器件的涡旋相应特性（涡旋二向色性 VD）。

$$\mathrm{V}\mathrm{D}=2\times \frac{I_{+l}-I_{-l}}{I_{+l}+I_{-l}}\times \mathrm{100\%}$$

其中，I_+l和I_-l分别时拓扑电荷为+l和-l经过三维手性结构后反射的激光能量。从图2（d）中可以明显发现，手性微纳结构对螺旋相位存在响应。

图2（a）展示了m = 5，a = 0.5 mm的MVBs紧聚焦过程中能量的三维分布;（b）为利用该MVBs结合双光子激光直写获得的三维手性器件的SEM照片;（c）为该器件相应的阵列；（d）展示了手性器件的涡旋相应特性，l为入射涡旋激光的拓扑电荷；（e）为该结构的SEM照片，该结构内外两部分显示出不同的手性特征

匡翠方教授表示：“将光场调控技术应用于体曝光激光直写技术相结合的3D激光直写方法，有效地提高了三维微纳结构器件的制造效率，可以广泛地应用于光学传感、功能器件制造等领域。同时，激光直写技术也是微纳尺度下光场光学特性表征的有效方法，复杂光场分布与演化可以用光刻胶进行直接记录。希望我们的工作可以为纳米领域的光场操控与观测提供新的思路和手段。”