由奇数模式和偶数模式的正交合成驱动的太赫兹涡旋光束产生

《Optics & Laser Technology》：Terahertz vortex beam generation driven by orthogonal synthesis of odd and even modes

太赫兹涡旋光束通过奇偶模式正交合成与硅基二元光学元件高效生成，避免了传统多级相位元的量化误差，实验验证了该方案在2.52 THz频率下可生成高纯度（76.2%-85.3%）涡旋光束，适用于6G通信和高分辨率成像。

　　本文围绕一种新的方法，用于生成高频的太赫兹螺旋拉盖尔-高斯（Laguerre-Gaussian, LG）光束，探讨了其在太赫兹通信和成像等领域的应用潜力。通过将奇数与偶数LG模式进行正交合成，这一策略不仅提升了光束的模式纯度，还避免了传统多级相位元件所带来的量化误差问题，为实现高精度的太赫兹螺旋光束提供了新的路径。

太赫兹波段（0.1–10 THz，对应波长30 μm至3 mm）是电磁波谱中相对未被充分利用的过渡区域。它结合了微波的穿透能力与红外的分子指纹特性，这使其在非破坏性生物传感和高分辨率成像等领域具有独特优势。此外，由于其光子能量约为几毫电子伏特，显著低于可见光，太赫兹波不会造成离子化损伤，这进一步增强了其在生物医学等领域的应用前景。然而，当前在太赫兹波段中，对轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）光束的高效生成和操控仍是实际应用中的关键挑战。

目前，太赫兹OAM光束的生成方法大致可分为两类：主动生成（直接由光源发射）和被动整形（通过波前调制）。主动生成技术通常依赖于非线性差频生成（DFG）或光学整流等方法，将OAM从泵浦光束转移到太赫兹波。然而，这类方法受限于相位匹配条件，导致转换效率与杂散辐射之间的平衡问题。被动整形方法则依赖于外部设备对高斯型太赫兹光束的相位或偏振进行调制，这种方法需要与太赫兹兼容的材料和制造工艺，从而实现波前控制。尽管3D打印等技术在制造太赫兹衍射光学元件方面展现出创新性，但其分辨率在高频段的应用仍受到限制。

为了解决上述问题，本文提出了一种基于奇数和偶数LG光束相干叠加的新方法，用于生成高频的太赫兹螺旋拉盖尔-高斯（THz hLG）光束。这一方法通过设计二值相位板，对奇数和偶数LG模式进行编码，并利用轴对称的马赫-曾德尔干涉仪（MZI）系统实现空间相干合成。通过在奇数模式路径中引入相对π/2的相位延迟，可以有效实现螺旋相位调制，从而生成具有OAM特性的太赫兹光束。这种基于二值光学元件的制造工艺不仅降低了成本，还提升了系统的稳定性和灵活性。

在理论分析部分，本文首先介绍了THz hLG光束的生成机制。奇数和偶数LG模式分别具有正弦和余弦的方位角依赖性，其相干叠加可以通过引入π/2相位延迟实现，从而生成螺旋相位的hLG光束。这一方法的关键在于利用LG模式的圆柱对称性，将其分解为奇数和偶数模式，并通过二值相位结构进行独立调制。相较于传统多级相位元件，这种策略显著降低了制造复杂性，并有效抑制了杂散模式的生成。

为了验证生成的THz hLG光束的波前相位特性，本文采用了传输强度方程（Transport of Intensity Equation, TIE）方法进行相位重构。TIE是一种非干涉的相位恢复方法，通过获取不同轴向位置的强度分布，可以反推出波前的相位信息。这种方法在太赫兹波段具有独特优势，因为它不需要参考光束，且对环境扰动具有较强的鲁棒性。通过TIE方法，本文对THz hLG光束的相位分布进行了准确的重建，并结合轴向强度传输特性，验证了其模式纯度和传输稳定性。

在数值模拟分析部分，本文展示了不同奇数和偶数THz LG光束的相位和强度分布，并分析了其相干叠加后形成的THz hLG光束的传播特性。模拟结果表明，THz hLG光束的强度分布呈现出明显的环形结构，且其相位分布具有连续的螺旋特性，符合OAM光束的理论预期。同时，模拟还揭示了模式纯度与传输距离之间的关系，为实验设计提供了重要的参考依据。

在实验部分，本文构建了一套基于MZI的相干叠加系统，利用硅基二值光学元件制造奇数和偶数LG模式相位板，并通过精确控制光路差实现了π/2相位延迟。实验结果表明，该方法能够灵活生成具有基本模式和高阶径向模式的THz hLG光束，并且通过TIE方法重构的相位分布与理论预测高度一致，验证了其连续螺旋相位特性。此外，实验还分析了THz hLG光束在自由空间中的传播特性，发现其在不同轴向位置的强度分布保持稳定，且模式纯度良好。

为了进一步验证该方法的可行性，本文还进行了模式纯度的定量评估。通过将实验测量的光场分解到LG模式基底集合中，计算了各个模式的投影系数，并据此评估了目标模式的纯度。结果显示，基本模式的纯度达到76.2%，而高阶径向模式的纯度为65.5%，均高于传统方法的水平。这一结果表明，该方法在生成高质量的太赫兹OAM光束方面具有显著优势。

此外，本文还探讨了该方法在实际应用中的局限性与未来发展方向。虽然该方法在模式纯度和传输稳定性方面表现优异，但其转换效率仍低于基于超材料的方案。这是因为相干叠加的双光束机制和太赫兹波的长距离传输损失（如大气吸收和散射）导致了效率的下降。为提高转换效率，可以采用更高透射率的基底材料、引入抗反射涂层，或在真空或氮气环境中进行实验。对于需要高功率太赫兹OAM光束的应用，可以考虑使用高功率连续波太赫兹光源。同时，为了延长有效传输距离，可以在MZI输出端放置准直透镜，将发散的OAM光束转化为准直光束。

在讨论部分，本文强调了该方法的独特性，即通过利用LG模式的奇偶对称性分解，建立了一种“模式分解–独立调制–相干合成”的理论框架。这一框架将复杂的连续螺旋相位控制问题转化为二值相位结构的独立调制问题，从而简化了制造过程。此外，该方法在技术实现上采用了一种结合紫外光刻、反应离子刻蚀（RIE）和各向异性湿法刻蚀的硅基二值光学元件制造工艺，通过扫描电子显微镜（SEM）对结构进行了精确表征，验证了其制造精度和稳定性。

尽管湿法刻蚀过程中可能会导致侧壁倾斜，但实验结果表明，这种微小的倾斜并未对光束质量产生显著影响。此外，本文还指出，MZI系统的多元件结构可能使其对机械振动较为敏感，而由位移台控制的固定光路差存在长期漂移的风险。因此，未来的研究可以考虑采用主动稳定系统或环境减振措施，以提升系统的稳定性。同时，针对硅基相位板的侧壁倾斜问题，可以通过优化刻蚀溶液、调整工艺参数、改进掩模设计等方式进行改善。

综上所述，本文提出的方法为太赫兹波段的高精度OAM光束生成提供了一种高效且稳定的解决方案。该方法不仅能够灵活生成不同拓扑电荷和径向指数的THz hLG光束，还具有良好的模式纯度和传输稳定性。未来，这一技术有望在6G太赫兹通信、高分辨率太赫兹成像等前沿领域发挥重要作用，并为相关基础研究提供新的实验平台。