近年來，憑借大景深和可自愈性的優勢，貝塞爾光束在量子糾纏、水下三維成像、空間通信、光學微操控等領域有著十分廣泛的應用。使用集成光學方法產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域。多年來，這一問題始終困擾著科學家們。
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之前，吉林大學教授宋俊峰課題組在研究激光雷達的時候，利用分布在芯片上的多個相干激光光源（即光學相控陣），通過其在空間上的相干疊加，實現了光束整形和掃描，探測距離可以達到一百米。
基于此他和團隊在想：能否使用類似形狀的“光學相控陣”，來產生長距離的貝塞爾光束？幸運的是，當課題組利用 64 路圓環排列的光柵陣列作為“光學相控陣”時，果然產生了 10 米以上距離的貝塞爾高斯光束。
圖 | 吉林大學宋俊峰教授（來源：宋俊峰）
通過這項研究，對于利用硅基光電子集成技術來產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識。相關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”鋪平道路。
日前，相關論文以《利用集中分布光柵陣列生成貝塞爾-高斯光束進行遠程傳感》（On-chip generation of Bessel–Gaussian beam via concentrically distributed grating arrays for long-range sensing）為題發在 Light: Science & Applications 上[1]，ZhiZihao 是第一作者，宋俊峰擔任通訊作者。
圖 | 相關論文 （來源：Light: Science & Applications）
這種利用硅光芯片產生貝塞爾高斯光束的方法，有望為多個研究領域打開新的大門。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（拓撲荷數）也為空間通信提供了一個新的調制維度。
在傳感上，該團隊制作的貝塞爾高斯光束由正負一階渦旋光組成，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角速度的測量；在微操控上，可以對納米粒子進行抓取、挑選等操作；在量子領域，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在芯片上產生的貝塞爾光束，可以為大規模集成、小體積封裝、低能耗操控等提供技術支撐。
研究中，課題組認為用圓周分布的光柵陣列結構，可以產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。
定下想法之后則要建立物理模型，并確立光子芯片的結構參數。為此，該團隊調研了 1987 年以來的大量科研文獻，并結合課題組在光學相控陣激光雷達設計方面的經驗，確定了光子芯片的結構參數。
接下來要對芯片開展測試和分析。在搭建測試平臺系統之后，他們通過理論模擬與實驗結果對照分析，對貝塞爾光束的特性進行確認。
在探索應用研究的時候，課題組發現貝塞爾高斯光束由兩個正負一階渦旋光束疊加而成，因此利用光子旋轉多普勒效應，可以建立起轉速與兩個渦旋光束差頻的線性關系，通過對差頻頻率的測量反推計算出旋轉速度。
“雖然這種機制早在 2013 年就已經被提出，但是利用小于 1 平方毫米的光子芯片進行實驗驗證的，目前我們是唯一一個。另外，我們也進行了激光雷達的測距研究，從而為高維度激光雷達提供了新方法。”宋俊峰表示。
而在集成光子芯片的設計與仿真上，其中的難點在于對光子調控物理機制的理解。期間，他們走了一些彎路。一開始該團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散的特性。
于是，他們采用簡單的高斯光束疊加模型，結果發現偏振分布與實驗并不相符。最后，課題組采用旋轉坐標系結合矢量高斯光束疊加的模型，這一次的偏振分布和實驗結果是吻合的。“在實驗與理論的反復驗證過程中，也讓我們學到了更多知識。”宋俊峰表示。
貝塞爾光束的轉速及測距實驗，則是另一個難點。一開始由于課題組沒有測量轉速的設備和經驗，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。
就在準備放棄的那個晚上，實驗臺上終于出現了預期的現象。在接下來的兩周里大家反復調試，實驗結果也越來越好。學生們對此也深有感觸：“很多時候與成功的距離非常接近，只是由于一些細節沒有做好，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域方面的研究，希望為量子保密通信、量子傳感做出貢獻。
另據悉，早年期間宋俊峰本碩博均畢業于吉林大學，后在中科院長春光學精密機械與物理研究所完成博士后研究，幾十年學術生涯均在東北度過。
他表示：“在吉林大學學習任教三十余年，感到非常幸運和光榮。吉林大學歷史悠久、底蘊深厚，個別學科仍處于國內領先地位。吉林大學求實創新的態度和勵志圖強的作風，使教師和學生們少了一分浮躁，多了一分堅韌和沉穩。這在經濟尚不夠發達的地區顯得彌足珍貴，相信吉林大學會越來越好。”
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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