据中国激光杂志社网，于2024年03月22日报道，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(imΦ)，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）。
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）。
其中，I+l和I-l分别时拓扑电荷为和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。
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。”
研究团队简介
罗梦迪，之江实验室智能芯片与器件研究中心助理研究员，博士后。2022年于浙江大学获得理学博士学位，主要研究方向包括光场调控、超短脉冲的传输与自旋轨道耦合效应、光与物质相互作用等。长期从事光场调控技术在双光子激光直写中的应用研究。曾以第一作者或共同第一作者发表期刊论文4篇，合作发表文章5篇。主持中国博士后面上基金项目1项。
温积森，之江实验室智能芯片与器件研究中心助理研究员。2020年于浙江大学获得理学博士学位，主要研究方向包括激光直写微纳器件及其光场调控、光学捕获等。曾以第一作者或共同第一作者发表期刊论文9篇，授权发明专利4项。主持中国博士后面上基金项目1项。
朱大钊，之江实验室智能芯片与器件研究中心研究专家，副研究员。2018博士毕业于浙江大学光电科学与工程学院，主要研究方向为超分辨显微成像、高通量超分辨激光直写技术与装置。主要研究成果发表在Advanced Photonics、ACS Photonics、Photonics Research等期刊。申请发明专利30余件，授权17件。先后主持/参与国家青年基金、浙江省青年基金、博士后面上基金、浙江省重大项目、国家重点研发计划等项目与课题研究。
匡翠方，之江实验室外聘专家，浙江大学教授，2019年度王大珩光学奖-中青年科技人员光学奖获得者。主要从事超分辨显微成像与超分辨直写光刻相关研究，主持基金委重大仪器专项基金、国家杰出青年基金等项目20余项。以第一/通讯作者在Nature Photonics、Physical Review Letters、Optica等杂志发表论文150余篇，授权发明专利100余项。成果获得2019年国家科学技术发明二等奖（2/6），2022年首届“金燧奖”中国光电仪器品牌榜金奖，2016、2017、2019年度三次中国光学十大进展。
