上海交通大学谢国强、钱列加教授和深圳大学范滇元院士合作，将精密激光刻蚀技术应用于激光腔镜，从激光腔内直接产生了高拓扑荷的涡旋光，其拓扑荷数达到288阶，并建立了该方法产生任意拓扑荷涡旋光的设计准则，为腔内涡旋光产生提供了标准化技术。

自1992年发现以来，涡旋光引起了广泛的研究兴趣，由于其具有独特的螺旋形相位，每个光子携带l?的轨道角动量；由于中心相位的不确定性，其存在中心强度零点。这些特征使其在光通信、光学微操控、光学加工以及超分辨率成像等领域具有广阔的应用前景。近年来，具有低拓扑荷（l<10）的涡旋光已经在以上各领域发挥了自己的优势。高拓扑荷的涡旋光，特别是拓扑荷数大于100阶的涡旋光，其在精密测量、高角动量量子纠缠以及扩展光通讯信息容量方面具有独特的应用价值。

传统产生涡旋光的方法是利用螺旋相位板、叉形光栅或空间光调制器等相位元件对基模高斯光束进行空间相位调制。然而，由于加工中难以避免的瑕疵以及相位的非连续性，使得传统方法产生的涡旋光传输不稳定，传输中伴有奇点分裂、塌陷等现象。拉盖尔高斯光束作为一种涡旋光，它是激光谐振腔方程（亥姆霍兹方程）的本征解，可以在激光谐振腔内直接产生，其完美的螺旋形相位保证了传输的稳定性。许多学者都尝试在腔内产生涡旋光，然而所产生涡旋光的拓扑荷数都较低（l<10）。

上海交通大学激光等离子体实验室团队将精密激光刻蚀技术应用于激光腔镜，在激光腔镜表面刻蚀大小不同的圆形图案形成空间损耗调制[图1（b）~（d）]，在激光腔内直接产生了不同拓扑荷的涡旋光[图1（e）]，拓扑荷数最高达到了288阶。与此同时，该团队还通过理论分析与计算得到了圆形图案半径与涡旋光拓扑荷数的定量关系，该定量关系可作为腔内涡旋光产生的设计准则，为腔内涡旋光产生提供了标准化技术。

图1（a）涡旋光激光器装置图；（b）刻有圆形图案的激光腔镜；（c）所刻的圆形图案；（d）直径为400 μm的圆形图案；（e）产生的不同拓扑荷涡旋光光斑图样

为了进一步证实激光腔内产生涡旋光的优势，该团队将腔内产生的涡旋光与通过螺旋相位板产生的涡旋光进行了对比。研究表明，腔内产生的涡旋光随着传输距离的增大始终保持理想的环形结构[图2（a, c）]。然而利用螺旋相位板产生的涡旋光，则会随着传输距离的增大逐渐塌陷直到完全失去涡旋光的特征[图2（b）]。自干涉实验结果进一步表明，腔内产生的涡旋光具有完美的螺旋形波前相位，没有产生奇点分裂的现象[图2（d）]。而利用螺旋相位板产生的高阶涡旋则分裂成了多个一阶的涡旋[图2（e）]。对比结果显示腔内涡旋光产生方法具有传统方法难以比拟的优越性。该技术所产生的高拓扑荷涡旋光有望打开在精密测量、高角动量量子纠缠等方向的应用。

图2 激光腔内产生的涡旋光与螺旋相位板产生的涡旋光传输稳定性和自干涉图样对比。激光腔内产生的4阶涡旋光（a），螺旋相位板产生的4阶涡旋光（b），激光腔内产生的225阶涡旋光（c）光斑随传输距离的演化；激光腔内产生的4阶涡旋光（d）和螺旋相位板产生的4阶涡旋光（e）的自干涉图样对比

该研究成果以“Generating High-Charge Optical Vortices Directly from Laser Up to 288th Order”为题发表在 Laser & Photonics Reviews [12(8), 1800019 (2018)]上，并被主编遴选为封面论文。上海交通大学博士生乔桢为第一作者，谢国强、钱列加教授为通讯作者，范滇元院士为论文合作者。研究工作受到科技部973项目（2013CBA01505）以及国家自然科学基金项目（61675130，11721091，61490713）的支持。

图3 以本研究成果为封面的当期封面图

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/lpor.201800019