据麦姆斯咨询报道，近日，北京邮电大学电子工程学院徐坤教授、桂丽丽教授团队与南丹麦大学纳米光学中心Sergey I. Bozhevolnyi教授、孟超博士团队、以及挪威科技工业研究所合作，将压电微机电系统（piezoelectric MEMS）与光学超构表面（OMS）相结合，并将其集成到激光腔内，提出并实验实现了一种高斯和涡旋激光模式可重构的动态涡旋光纤激光器。研究成果以“MEMS-metasurface−enabled mode-switchable vortex lasers”为题发表在《Science Advances》期刊上。北京邮电大学博士生王传硕为第一作者，徐坤教授、桂丽丽教授与南丹麦大学Sergey I. Bozhevolnyi教授、孟超博士为共同通讯作者。
近十年来，构建高效、灵活、多维的结构光场备受关注。通过将超构表面、衍射光栅和模式选择耦合器等光束整形器件集成到激光腔中进行腔内模式的直接调制，不仅提高了光束的生成效率和稳定性，还有助于构建紧凑的结构光源。然而，大多数整形器件是静态的，具有确定且固化的光学响应，因此激光器只能实现单一模式的输出。
模式可重构动态激光器可大大提高和丰富激光光源的灵活性和功能性。传统的调节方式如通过腔内光束整形器件（如q-plate）和偏振光学元件（如四分之一波片）的联调，光场重构速度慢且激光腔结构配置相对复杂。商用空间光调制器通过改变加载的相位全息图可实现光场模式的实时控制，显著提高了模式重构的速度（毫秒级），但在像素尺寸、调节精度、偏振和光场设计灵活性等方面仍存在一定的局限性。
MEMS-OMS可通过加电驱动MEMS微镜动态调控器件的整体光学响应。研究团队之前的工作已经证实了MEMS-OMS具备高效、快速、可重构的光场调控能力 [Nat. Commun., 13(1), 2022]，将其集成到激光腔内有望构建一种模式可切换的新型结构光源。
MEMS-OMS由在SiO2基板上加工的OMS微纳结构和由电压驱动的MEMS反射镜组装而成。其光学响应受控于OMS纳米棒和MEMS反射镜复合结构内部的等离激元/法布里-珀罗（FP）耦合谐振。通过对MEMS反射镜施加电压Vm可以精确控制其和OMS层之间的空气间隙Ta，实现OMS层功能功能的高效关闭（普通反射镜）和开启（涡旋半波片），从而获得高斯光束和携带轨道角动量（OAM）的涡旋光束的动态切换（图1A）。
图1 动态可重构涡旋激光器的设计：（A）MEMS-OMS的设计原理；（B）激光器的结构示意图。
将MEMS-OMS集成到一个由光纤镜、MEMS-OMS和部分透射的输出耦合镜构成的V形光纤激光腔中，仅通过切换驱动电压，即可在腔内对光场直接调制并生成具有可重构模式的结构光束，开创了可调谐激光光源设计的新范式（图1B）。
MEMS-OMS单元结构的遵循半波片的设计原则，即沿x和y方向上相等的高反射振幅（|rx| = |ry| = 1）和π的相位差（Δϕxy= ϕx – ϕy = 180°），以保证其在涡旋半波片工作模式下高效的模式转换能力。OMS层的“ON”和“OFF”状态遵循λ/2的周期演变。当Ta = 610 nm + (k − 1) × λ/2 (k = 1, 2, 3, …),时，OMS层处于“ON”状态，MEMS-OMS表现为半波片的特性。当Ta = 465 nm + (k– 1) × λ/2 (k = 1, 2, 3, …)时，OMS层处于“OFF”状态，MEMS-OMS表现为普通的反射镜。
图2 MEMS-OMS单元结构设计：（A）单元结构示意图；（B）单元结构的尺寸选择；（C）单元结构的复反射系数随空气间隙Ta变化。
MEMS-OMS的纳米棒取向角根据产生拓扑电荷l = 1、2、3 和 5的涡旋光束所需的Pancharatnam-Berry (PB)相位进行匹配。对于垂直入射的RCP高斯光束，其反射光束能量周期性地在LCP和RCP通道（即高斯和涡旋模式）之间分配。制备和组装后的MEMS-OMS在两个工作状态下具有>80%的工作效率和100 μs的切换速度。
图3 MEMS-OMS设计、制造和表征：（A-B）模拟的高斯光束和涡旋光束的强度和相位分布；（C）模拟的两偏振通道的反射率和对比度随Ta的变化；（D）OMS的扫描电镜图；（E）组装的MEMS-OMS的细节展示；（F）测量的两偏振通道的反射率和对比度随Ta的变化；（G）MEMS-OMS的响应时间。
腔内激光光束满足自洽条件，即传播光束经过循环演化后，尽管偏振态和模式在不同空间位置可能发生变化，但经过演化后回到保偏单模光纤中时仍保持相同的偏振和横模（LP01）轮廓。具体而言，被OC反馈回腔内的光束经过MEMS-OMS的再次调制后，涡旋光束可以重新回到初始的高斯模式。当Vm1 = 4.4 V和Vm2 = 6.8 V时，MEMS-OMS可以在镜面反射和涡旋半波片的两个操作状态之间重新配置，从而在1030 nm波长附近实现高斯和涡旋模式的动态切换输出。
图4 激光器的实验表征：（A）光束包络的自洽验证；（B）高斯和涡旋光束的强度分布和自干涉图样；（C）输出光谱；（D）输出功率与泵浦功率的关系；（E-F）高斯和涡旋光束的模式纯度。
研究人员展示了一种基于腔内MEMS-OMS的动态激光器，通过精细调节MEMS反射镜的驱动电压，能够实现高斯和涡旋模式之间的快速切换。所提出的腔内集成MEMS超构表面的激光器系统为产生高纯度快速可切换激光模式提供了一种源头上的解决方案，在先进光学成像、光镊、光学加工和智能光子学等领域具有广阔的应用前景。
本工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金、北京市科技新星人才计划、信息光子学与光通信全国重点实验室课题、丹麦Villum研究基金、丹麦独立研究基金、欧盟地平线2020研究和创新计划、国家留学基金等项目的资助。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq6299
