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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】

1. 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；

2. 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；

3. 对称通道的剩余高斯分量，保障双向稳定激光振荡；

4. 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；

5. 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。