近年來，憑借大景深和可自愈性的優(yōu)勢，貝塞爾光束在量子糾纏、水下三維成像、空間通信、光學(xué)微操控等領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。使用集成光學(xué)方法產(chǎn)生并操控貝塞爾光束，也是近些年的熱門課題。
一般來說，貝塞爾光束傳播長度都非常短只有毫米量級，因此很難用于通信和傳感等領(lǐng)域。多年來，這一問題始終困擾著科學(xué)家們。
(資料圖)
之前，吉林大學(xué)教授宋俊峰課題組在研究激光雷達(dá)的時候，利用分布在芯片上的多個相干激光光源（即光學(xué)相控陣），通過其在空間上的相干疊加，實現(xiàn)了光束整形和掃描，探測距離可以達(dá)到一百米。
基于此他和團(tuán)隊在想：能否使用類似形狀的“光學(xué)相控陣”，來產(chǎn)生長距離的貝塞爾光束？幸運的是，當(dāng)課題組利用 64 路圓環(huán)排列的光柵陣列作為“光學(xué)相控陣”時，果然產(chǎn)生了 10 米以上距離的貝塞爾高斯光束。
圖 | 吉林大學(xué)宋俊峰教授（來源：宋俊峰）
通過這項研究，對于利用硅基光電子集成技術(shù)來產(chǎn)生和操控貝塞爾高斯光束（即渦旋光束）來說，他們也有了更深刻的認(rèn)識。相關(guān)成果也能為高維度的激光通信、激光傳感，以及更深入的“角動量光子學(xué)”鋪平道路。
日前，相關(guān)論文以《利用集中分布光柵陣列生成貝塞爾-高斯光束進(jìn)行遠(yuǎn)程傳感》（On-chip generation of Bessel–Gaussian beam via concentrically distributed grating arrays for long-range sensing）為題發(fā)在 Light: Science & Applications 上[1]，ZhiZihao 是第一作者，宋俊峰擔(dān)任通訊作者。
圖 | 相關(guān)論文 （來源：Light: Science & Applications）
這種利用硅光芯片產(chǎn)生貝塞爾高斯光束的方法，有望為多個研究領(lǐng)域打開新的大門。比如在空間激光通信方面，貝塞爾光束與普通激光光束相比，前者最大的優(yōu)勢就是自愈性，即它在穿過小障礙物（如灰塵、小水滴等）后光束不變形，因此具有更好的抗干擾性。同時，渦旋光的階數(shù)（拓?fù)浜蓴?shù)）也為空間通信提供了一個新的調(diào)制維度。
在傳感上，該團(tuán)隊制作的貝塞爾高斯光束由正負(fù)一階渦旋光組成，正如他們在論文里驗證的那樣，這種貝塞爾高斯光束可被用于旋轉(zhuǎn)角速度的測量；在微操控上，可以對納米粒子進(jìn)行抓取、挑選等操作；在量子領(lǐng)域，這種具有確定“量子化”角動量的光子，可被用于研究光子與微觀粒子角動量之間的耦合作用等。
尤其是采用硅基光電子集成技術(shù)在芯片上產(chǎn)生的貝塞爾光束，可以為大規(guī)模集成、小體積封裝、低能耗操控等提供技術(shù)支撐。
研究中，課題組認(rèn)為用圓周分布的光柵陣列結(jié)構(gòu)，可以產(chǎn)生長距離傳播的貝塞爾高斯光束，并且可以使用硅基光電子集成芯片來實現(xiàn)。
定下想法之后則要建立物理模型，并確立光子芯片的結(jié)構(gòu)參數(shù)。為此，該團(tuán)隊調(diào)研了 1987 年以來的大量科研文獻(xiàn)，并結(jié)合課題組在光學(xué)相控陣激光雷達(dá)設(shè)計方面的經(jīng)驗，確定了光子芯片的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
接下來要對芯片開展測試和分析。在搭建測試平臺系統(tǒng)之后，他們通過理論模擬與實驗結(jié)果對照分析，對貝塞爾光束的特性進(jìn)行確認(rèn)。
在探索應(yīng)用研究的時候，課題組發(fā)現(xiàn)貝塞爾高斯光束由兩個正負(fù)一階渦旋光束疊加而成，因此利用光子旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)，可以建立起轉(zhuǎn)速與兩個渦旋光束差頻的線性關(guān)系，通過對差頻頻率的測量反推計算出旋轉(zhuǎn)速度。
“雖然這種機制早在 2013 年就已經(jīng)被提出，但是利用小于 1 平方毫米的光子芯片進(jìn)行實驗驗證的，目前我們是唯一一個。另外，我們也進(jìn)行了激光雷達(dá)的測距研究，從而為高維度激光雷達(dá)提供了新方法。”宋俊峰表示。
而在集成光子芯片的設(shè)計與仿真上，其中的難點在于對光子調(diào)控物理機制的理解。期間，他們走了一些彎路。一開始該團(tuán)隊采用偶極子模型和平面波疊加模型，但是始終無法解釋實驗中貝塞爾光束隨著傳播距離發(fā)散的特性。
于是，他們采用簡單的高斯光束疊加模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)偏振分布與實驗并不相符。最后，課題組采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系結(jié)合矢量高斯光束疊加的模型，這一次的偏振分布和實驗結(jié)果是吻合的。“在實驗與理論的反復(fù)驗證過程中，也讓我們學(xué)到了更多知識。”宋俊峰表示。
貝塞爾光束的轉(zhuǎn)速及測距實驗，則是另一個難點。一開始由于課題組沒有測量轉(zhuǎn)速的設(shè)備和經(jīng)驗，于是改到深圳鵬城實驗室去做實驗。測了幾天還是沒有成功，大家一度非常泄氣。
就在準(zhǔn)備放棄的那個晚上，實驗臺上終于出現(xiàn)了預(yù)期的現(xiàn)象。在接下來的兩周里大家反復(fù)調(diào)試，實驗結(jié)果也越來越好。學(xué)生們對此也深有感觸：“很多時候與成功的距離非常接近，只是由于一些細(xì)節(jié)沒有做好，就走了很多彎路”；“只要理論上模擬是對的，實驗上就一定能做出來”。
接下來，他們將重點研究貝塞爾光束的空間光通信、貝塞爾高斯光束的收發(fā)一體化集成芯片、貝塞爾高斯光束的空間傳輸能力、抗干擾能力等。
另一個方面，課題組也將開展貝塞爾光束和渦旋光束在量子領(lǐng)域方面的研究，希望為量子保密通信、量子傳感做出貢獻(xiàn)。
另據(jù)悉，早年期間宋俊峰本碩博均畢業(yè)于吉林大學(xué)，后在中科院長春光學(xué)精密機械與物理研究所完成博士后研究，幾十年學(xué)術(shù)生涯均在東北度過。
他表示：“在吉林大學(xué)學(xué)習(xí)任教三十余年，感到非常幸運和光榮。吉林大學(xué)歷史悠久、底蘊深厚，個別學(xué)科仍處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。吉林大學(xué)求實創(chuàng)新的態(tài)度和勵志圖強的作風(fēng)，使教師和學(xué)生們少了一分浮躁，多了一分堅韌和沉穩(wěn)。這在經(jīng)濟尚不夠發(fā)達(dá)的地區(qū)顯得彌足珍貴，相信吉林大學(xué)會越來越好。”
參考資料
1. Zhi, Z., Na, Q., Xie, Q. et al. On-chip generation of Bessel-Gaussian beam via concentrically distributed grating arrays for long-range sensing. Light Sci Appl 12, 92 (2023), doi:10.1038/s41377-023-01133-2.
2. Zhi, Z. H., Li, Y. Z., Chen, B. S. et al. A Theoretical Description of Integrated OAM Beam Emitters Using Conical Wave Model. Ieee Photonics Journal 14, 1-6, (2022) doi:10.1109/Jphot.2022.3149808.
3. Kim, S. Silicon photonic Bessel-Gaussian beam generation unlocks new possibilities for long-range sensing. Light Sci Appl 12, 141 (2023), doi:10.1038/s41377-023-01189-0.
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