▍本文由論文作者團隊（課題組）投稿

貝塞爾光束具有顯著的大景深和自愈特性，已廣泛應(yīng)用于量子糾纏、水下3D成像、光學(xué)微操作、顯微鏡等領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)產(chǎn)生貝塞爾光束的方法（例如圓形狹縫和透鏡、圓錐棱鏡、空間光調(diào)制器（SLM）等），由于使用了體積龐大的光學(xué)元件，使系統(tǒng)笨重而復(fù)雜，阻礙了貝塞爾光束在實際中的應(yīng)用。

最近，已經(jīng)提出的幾個緊湊系統(tǒng)，如通過使用光子集成回路（PIC）、超表面、集成波導(dǎo)和3D打印光纖等方法生成貝塞爾光束。但是，上述技術(shù)產(chǎn)生的貝塞爾光束傳播距離短，嚴(yán)重限制了貝塞爾光束在長傳播距離場景中的應(yīng)用。

來自吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，集成光電子學(xué)國家重點實驗室、鵬城國家實驗室的宋俊峰教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，提出了一種基于絕緣體上硅（SOI）工藝的圓周分布光柵陣列光子芯片結(jié)構(gòu)，以產(chǎn)生長傳播距離的貝塞爾高斯光束（BGb）。激光波長在1500nm至1630nm范圍內(nèi)均可發(fā)射出具有第一類貝塞爾函數(shù)強度分布的激光光束，在沒有任何光學(xué)元件的情況下，他們在實驗室測量到10.24 m。最后，他們將這種光子芯片應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)目標(biāo)的旋轉(zhuǎn)速度和距離的測量。

該成果以“On-chip generation of Bessel–Gaussian beam via concentrically distributed grating arrays for long-range sensing”為題發(fā)表在Light: Science & Applications。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃，國家自然科學(xué)基金項目，吉林省重大科技計劃和吉林大學(xué)科技創(chuàng)新研究團隊計劃的資助。

他們總結(jié)了集成硅光子芯片產(chǎn)生長距離貝塞爾-高斯光束的原理：“貝塞爾高斯光束可以通過系列光柵光束的疊加來獲得。每個光柵光束可以近似為高斯光束，由于各高斯光束之間的相干性，和圓周分布的對稱性，使其在交疊區(qū)內(nèi)形成了貝塞爾高斯光束。高斯光束的發(fā)射角和發(fā)散角決定了交疊區(qū)所在空間位置，理論上，交疊區(qū)可以到無窮遠?！?/p>

“接下來，為了產(chǎn)生長距離BGb，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)需要被精心設(shè)計，特別是光柵陣列寬度和光柵周期。為此，我們進行了大量的模擬工作，最終確定了它們的尺寸。如圖1所示，在SOI上集成了64個光柵陣列，整個環(huán)形結(jié)構(gòu)的直徑為870μm，用130nm制程的CMOS工藝制造?！?/p>

圖1：集成芯片式貝塞爾高斯光束發(fā)生器. a 集成硅光子芯片的光學(xué)顯微圖，左下角子圖是工作狀態(tài)下芯片表面近場圖案. b 光子芯片局部光柵陣列的放大圖，掃描電子顯微鏡下光柵陣列圖及光柵尺寸示意圖. c 仿真的光柵陣列遠場圖. d 距離芯片表面5.91m處測量到的貝塞爾高斯光束輪廓. e 5.91m處貝塞爾高斯光束的一維截線輪廓。

“旋轉(zhuǎn)是自然界中的一種常見的現(xiàn)象，測量旋轉(zhuǎn)速度的方法對于揭示物質(zhì)特性、精密測量和分析天體組成至關(guān)重要。貝塞爾高斯光束由兩個轉(zhuǎn)向相反的1階渦旋光束組成，貝塞爾高斯光束的偏振特性如圖2所示。

圖2：集成光子芯片產(chǎn)生的貝塞爾高斯光束的偏振特性。a 理論上遠場的光束強度分布, b - e 理論上不同偏振狀態(tài)下的強度分布. f 芯片表面2.2 m處測量的光場強度分布, g - j 芯片表面2.2 m處測量的經(jīng)過不同角度偏振片的光場強度分布。

利用渦旋光束的旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)探測了旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)速度（如圖3所示），并利用相位測距原理測量了物體距離。這可以為高精度測量物體旋轉(zhuǎn)速度和距離信息提供集成化的解決方案?！?/p>

圖3：使用硅光子芯片生成的貝塞爾高斯光束測量旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)速度的實驗裝置示意圖及實驗結(jié)果。a 實驗裝置圖. b 不同旋轉(zhuǎn)速度下(75 r/s - 100 r/s)的測量結(jié)果. c 速度分辨率測試，在99.7 r/s到100 r/s范圍內(nèi)等間距測量十個速度,對于b,c紅色的點是測量數(shù)據(jù)，藍色的線是理論數(shù)據(jù)。

“由于所報道的集成光芯片尺寸不到1平方毫米，在大規(guī)模生產(chǎn)中，單個芯片的成本將降低到50美分以下。這種低成本，高質(zhì)量，長距離的BGb發(fā)射器是未來貝塞爾光束在大規(guī)模，小型化，高穩(wěn)定應(yīng)用場景中的關(guān)鍵”他們補充道。

| 論文信息 |

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).

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01133-2

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