我校现代工程与应用科学学院陆延青教授研究组在利用液晶光取向技术产生并调控光涡旋方面取得进展，该研究成果于2014年3月12日发表在材料领域权威期刊《先进材料》上（Adv. Mater. 2014, 26(10), 1590-1595）。

当一束光的波前符合Ψ1 = exp(imθ) 时，会具有螺旋相位。对于这类光束，其波印亭矢量虽然整体向前，但是有横向分量，其指向在空间不断地打转，因此带来了轨道角动量OAM。形象说来，其光波前像意大利螺旋面一样沿着光的传播方向呈螺旋扭曲状排布；由于光束中间是位相的奇点，只有在光强为零的条件下才能够得以满足，故光束中间总是个黑点，如果将光束投射到屏幕上会呈现涡漩状。光涡旋及OAM的存在说明了研究历史悠久的光仍然存在着新奇的特性，近年来吸引了科研人员的强烈关注和广泛研究。

OAM赋予了对光的性质进行调控的一个新自由度，打开了一条光信息复用的新通道。由于拓扑荷m的无限性，光涡旋对应的轨道角动量的态也是无限的。这预示着可以通过OAM复用来极大地增加无线及光钎通信的带宽。此外，用光涡旋来做光镊时，除了像普通光束一样捕获移动介电粒子外，还能够提供一个扭转力，使得对粒子的转动操控也变为可能。基于此，甚至可以对细小物体如DNA进行多维度精确操控。在天文学领域，基于光涡旋的日冕观测仪被用来屏蔽强的背景光以增加天文观测的对比度，这对于系外行星的直接观测起到了有力的推动作用。总之，光涡旋在光纤通信、微纳操控和天文观测等领域都有着广泛的应用。

迄今为止，科研人员已经开发出模式转换、螺旋位相片、Q-plate、叉形光栅等一系列技术以产生光涡旋。其中叉形光栅技术因其简便性成为一种常用的生成光涡旋的方法，它实际上是涡旋光和平面波倾斜干涉的面内图案。所以，如果入射平面波或高斯光，就可以在衍射级上看到OAM。控制图案结构，可使0级衍射完全消除，光分别衍射到不同的衍射级次上，具有不同的，逐渐增大的拓扑荷。将液晶这类具有优异电光性质的材料应用到其中，可进一步实现即时可调的光涡旋产生。

陆延青教授、胡伟副教授等利用光取向技术取向控制灵活和图形分辨率高的特点，基于前期光取向液晶微结构制备技术开发【Opt. Express 2012, 20(5), 5384; Opt. Express 2012, 20(15), 16684; Opt. Express 2013, 21(6), 7608】及相关应用探索【Appl. Phys. Lett. 2012, 100(11), 111116; Appl. Phys. Lett. 2012, 101(3), 031112; Opt. Lett. 2012, 37(17), 3627】方面的研究经验，开发了一种全新的产生及调控光涡旋的技术方法。他们对前期自行研制的一套基于数控微镜阵（DMD, Digital Micro-mirror Device）的缩微投影系统进行了进一步改进，结合液晶光取向技术，制备了不同m值、不同取向模式的液晶叉形光栅，进而实现了快速响应、可重构、偏振和波长不敏感的高效高质量的光涡旋产生。液晶叉形光栅测试结果显示，对不同波长、任意偏振入射的可见光均获得了高达75%的±1级涡旋光转化效率。调节施加电压，可使光能完全转至零级（高斯光），一级及高阶衍射斑（涡旋光）完全消失，达到很好的开关态效果，引入双频液晶后，开关响应均达到亚毫秒量级。由于所用取向剂具有良好的可擦写特性，通过对样品再次曝光，实现了叉形光栅m值的实时擦写。该工作为制备低电压、低功耗、高效率、可电调、可光重构、偏振和波长不敏感的涡旋光束产生器提供了新的途径，并可推广应用到光通讯及THz波段，对涡旋光的应用拓展提供了铺垫。研究开发的数控微镜阵微光刻系统可用于实现任意液晶微结构图形和取向方向的实时控制，为可调控微纳光学研究提供了一种有效的技术手段。

本论文第一作者为2012级“英才计划”硕士生魏冰妍，胡伟副教授和陆延青教授为共同通信作者，37000cm威尼斯作为第一单位与Thorlabs（上海）、香港科技大学合作完成。该研究得到了学校985工程、江苏省优势学科建设工程（材料科学与工程）等的支持。（现代工学院 科技处）

图1 自行开发的数控微镜阵缩微投影装置示意图

图2不同m值的叉形光栅用于光涡旋的产生及调控