能不能在同一个光纤激光腔里面同时产生两束传播方向相反、拓扑荷不一样的高纯度涡旋光束传统涡旋光纤激光器答案基本是不行。涡旋激光自带轨道角动量OAM在光通信、量子光学、光镊成像里是热门方案。但过去绝大多数腔内直接生成 OAM 的涡旋光纤激光器只操控单向光场。双向环形腔本身天然有顺时针、逆时针两个传播自由度这个维度长期没有被充分利用。想要双向不同拓扑荷涡旋光往往要两套独立光源系统笨重、同步难度高、集成度差。这是领域里一个很明确的空白。今天这篇北邮信息光子学与光通信全国重点实验室发表在 Optica 的工作补上了这个缺口。Janus 涡旋超构激光器Janus 涡旋超构激光器光路示意图Janus 超表面嵌入双向光纤环形腔独立调控顺、逆时针双向光束【技术原理拆解】团队的核心思路是把一块腔内 Janus 超表面IJMS放进双向光纤环形腔。Janus 本身的含义就是双面异功能这一块超表面同时具备非对称通道 对称通道两套通道。简单分开理解两个通道的分工✅ 非对称通道方向相关涡旋相位转换顺时针入射光、逆时针入射光经过这个通道会被施加两套完全独立的 2π 涡旋相位最终变成拓扑荷不同的涡旋光束从偏振分束器引出作为输出。✅ 对称通道保留腔内振荡所需剩余光场不是所有光都要转化成涡旋光输出一部分光不改变模式依然是类高斯光重新耦合回光纤腔持续提供激光振荡所需要的反馈。两个通道配合解决一个核心矛盾既要对双向光场做差异化 OAM 调控又不能破坏激光器本身起振、稳定振荡的条件。腔内双向传播的非对称光场控制图注双向光路布局WDM、掺镱增益光纤、Janus 超表面、PBS 的完整演化链路这块 Janus 超表面的本体是非晶硅纳米柱阵列 半波片复合结构。纳米柱高度 600 nm周期 550 nm通过调整纳米柱长宽调控不同方向入射光的相位响应实现入射方向依赖的相位调制。团队设计了 3 版不同参数的 IJMS 器件做对比验证。Janus 超表面设计、仿真与 SEM 显微照片图注非晶硅纳米柱单元仿真、相位分解、器件实物与电镜表征比例尺 1 μm【量化实验结果】实现同一台激光器同步输出一对反向传播、拓扑荷不同的涡旋光束验证了拓扑荷差绝对值 3、10、32 三种方案拓扑荷差上限远高于很多腔内 OAM 方案对称通道的剩余高斯分量保障双向稳定激光振荡实验采集强度光斑、干涉条纹、光谱、模式纯度和理论仿真匹配输出功率随泵浦功率线性增长光谱稳定涡旋模式纯度可控。双向涡旋光实验光斑与干涉图样图注顺时针、逆时针输出涡旋光束强度、干涉图样、目标相位对比功率曲线、光谱、模式纯度测试结果图注泵浦 - 输出功率特性、激光光谱、OAM 模式纯度定量表征【应用价值落地方向】这个框架的意义不只是多生成一束涡旋光OAM 光通信双向独立 OAM 通道有望在单腔光源上拓展复用维度量子光学反向 OAM 光子对、轨道角动量纠缠光源微操控、双光束光镊同步、同源、时序天然对齐的反向涡旋光超构表面激光为方向复用、非对称腔内光子器件提供新范式。【收尾】这项工作把 Janus 超构、轨道角动量、光纤环形激光腔三者结合给涡旋激光的模式调控打开了一个新方向。