日本大阪大学激光科学研究所的中田芳树副教授、激光技术综合研究所的宫永宪明（大阪大学名誉教授）、大阪大学研究生院工学研究科的小坂悠起和吉田匡孝硕士生（研究当时）等人组成的研究团队，成功以兆瓦级高功率生成了由3070个光的波面呈涡旋状传播的光学涡旋同步排列而成的大规模光学涡旋阵列（兆级光学涡旋）。该成果是量子技术、生命科学、光子学等广泛领域，实现既往技术无法企及的光调控以及探索未知现象的基础技术。相关成果已发在于《Light: Science & Applications》上。
图1 大规模光学涡旋阵列生成装置的构成（©CC BY, Reuse permitted with appropriate credit., Yoshiki Nakata et al., The University of Osaka）
a. 实验所用光学系统的整体构成。激光经衍射光学元件（DOE）分割为多束光，再通过螺旋相位板（SPP）和4f光学系统进行叠加，从而生成大规模光学涡旋阵列；
b. 通过多光束干涉形成光学涡旋阵列的概念图；
c. 利用螺旋相位板（SPP）控制各光束相位的概念图。
光学涡旋是光线螺旋状传播形成的，因其具备旋转特性（轨道角动量）的特殊光束，在量子技术、光子学等领域备受关注。利用光学涡旋，能够观测并创造出既往光束无法实现的新现象。然而，既往生成技术在可同时制备的光学涡旋数量与输出功率上均存在局限，规模化与高功率化两者都是难以解决的课题，长久以来被认为几乎无法同时实现。
研究团队重构了描述光学涡旋的光学模式理论，并与多光束干涉技术相结合，从根本上突破了既往的技术限制，进而开发出了无需特殊材料与复杂控制，仅组合衍射光学元件、螺旋相位板等现有光学器件，即可大量、高功率生成光学涡旋的方法。
最终，全球首次成功以兆瓦级高功率，生成了由3070个光学涡旋同步排布构成的大规模光学涡旋阵列。生成的光学涡旋已被直接观测，且证实每个光学涡旋都具备清晰的奇点结构。实验证实该方法可同时实现大规模化与高功率化。
本次研究最大的亮点在于具备可同时高功率调控数千个光学涡旋的超并行特性。由此，可同时对大量空间位点进行激发与调控，将以往只能逐点实现的光控制变为空间并行化。实际上，研究团队使用兆瓦级光学涡旋阵列确认了手性纳米结构的形成，证明在高功率条件下光学涡旋结构依然有效发挥作用。
该成果不仅适用于超并行激光加工，还可为宽带手性光子学、强光场下轨道角动量传递等研究方向提供拓展空间，构建了一套基于干涉原理、可规模化拓展的光场调控基础平台。
中田副教授表示：“光波面呈涡旋状传播的光学涡旋，此前只能少量、低功率地生成。本研究从理论层面重新审视光学涡旋的基础特性，证实可以同时攻克规模化与高功率化两大技术难题。我们希望借此通过观测和创造新现象，探索以往无法触及的未知现象，开拓新的科学可能性。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Light: Science & Applications
论文：Scalable optical vortex arrays enabled by the decomposition of Laguerre–Gaussian beams into three Hermite–Gaussian modes and multibeam interference
DOI：10.1038/s41377-026-02254-0
URL：https://rdcu.be/fckkE
