兆瓦级结构光携3070个光学涡旋阵列问世

光学涡旋(OV)和光学涡旋阵列(OVA)形成的概念性模态转换

光学涡旋是携带轨道角动量的光束，以螺旋波前和相位奇点为特征。近几十年来尽管得到了广泛研究，但两个基本限制制约了其更广泛的应用：同时产生大量涡旋，以及在此类配置中实现高峰值功率。此前，大型涡旋阵列仅限于低功率系统，而高功率演示通常仅涉及单个涡旋。

在发表于《Light: Science & Applications》的一篇新论文中，由大阪大学Yoshiki Nakata教授领导的研究团队报告了全球首个兆瓦级大规模光学涡旋阵列的实验实现，该阵列包含3070个相位相干涡旋，峰值功率达58兆瓦。与先前方法相比，这一结果在涡旋数量和峰值功率上均实现了超过三个数量级的提升。

传统上，拉盖尔-高斯(LG)模式被表示为两个具有π/2相位差的厄米-高斯(HG)模式的叠加。这是三十年来对HG-LG模式转换框架的首次修正。该团队将这一描述重新表述为一种三模式表示，该表示与多光束干涉几何结构自然结合。

Nakata教授解释道：“关键不仅在于重新审视HG-LG模式转换理论，还在于将其转化为具体的光学架构。通过设计一个紧凑的DOE-SPP-4f傅里叶系统，从物理上实现这一重构框架，我们直接将理论与可扩展的干涉联系起来。正是这种光学设计，使得在单一稳定配置中同时实现大规模并行化和兆瓦级峰值功率成为可能。”

使用4f光学系统进行OVA形成的实验配置

该紧凑架构包括：一个生成六束相干光束的衍射光学元件(DOE)，一个施加受控相位移的螺旋相位板(SPP)，以及一个将这些光束重组为三角涡旋晶格的4f傅里叶光学系统。由于该方法依赖于相干干涉，而非功率受限的空间光调制器或超表面，因此在涡旋数量、波长和输入激光功率方面具有内在的可扩展性。

为了验证高功率功能，该团队通过在铜表面生成手性纳米结构，演示了兆瓦条件下的轨道角动量传递。结果证实，即使在强功率条件下，结构化的相位奇点仍保持鲁棒性。

除了直接演示之外，这项工作还为可扩展的结构光生成建立了一种新的设计原理。在高峰值功率下同时控制数千个相位奇点的能力，为宽带手性光子学、并行激光加工以及基于高功率OAM的光与物质相互作用研究开辟了新的机遇。