日本大阪大學雷射科學研究所的中田芳樹副教授、雷射技術綜合研究所的宮永憲明（大阪大學名譽教授）、大阪大學研究生院工學研究科的小坂悠起和吉田匡孝碩士生（研究當時）等人組成的研究團隊，成功以兆瓦級高功率生成了由3070個光的波面呈漩渦狀傳播的光學漩渦同步排列而成的大規模光學漩渦陣列（兆級光學漩渦）。該成果是量子技術、生命科學、光量子學等廣泛領域，實現既往技術無法企及的光調控以及探索未知現象的基礎技術。相關成果已發在於《Light: Science & Applications》上。
圖1 大規模光學漩渦陣列生成裝置的構成（©CC BY, Reuse permitted with appropriate credit., Yoshiki Nakata et al., The University of Osaka）
a. 實驗所用光學系的整體構成。雷射經繞射光學元件（DOE）分割為多束光，再通過螺旋相板（SPP）和4f光學系進行疊加，從而生成大規模光學漩渦陣列；
b. 通過多光束幹涉形成光學漩渦陣列的概念圖；
c. 利用螺旋相板（SPP）控制各光束相的概念圖。
光學漩渦是光線螺旋狀傳播形成的，因其具備旋轉特性（軌道角動量）的特殊光束，在量子技術、光量子學等領域備受關注。利用光學漩渦，能夠觀測並創造出既往光束無法實現的新現象。然而，既往生成技術在可同時製備的光學漩渦數量與輸出功率上均存在侷限，規模化與高功率化兩者都是難以解決的課題，長久以來被認為幾乎無法同時實現。
研究團隊重新框架了描述光學漩渦的光學模式理論，並與多光束幹涉技術相結合，從根本上突破了既往的技術限制，進而開發出了無需特殊材料與複雜控制，僅組合繞射光學元件、螺旋相板等現有光學器件，即可大量、高功率生成光學漩渦的方法。
最終，全球首次成功以兆瓦級高功率，生成了由3070個光學漩渦同步排布構成的大規模光學漩渦陣列。生成的光學漩渦已被直接觀測，且證實每個光學漩渦都具備清晰的奇點結構。實驗證實該方法可同時實現大規模化與高功率化。
本次研究最大的亮點在於具備可同時高功率調控數千個光學漩渦的超並行特性。由此，可同時對大量空間位點進行激發與調控，將以往只能逐點實現的光控制變為空間並行化。實際上，研究團隊使用兆瓦級光學漩渦陣列確認了手性奈米結構的形成，證明在高功率條件下光學漩渦結構依然有效發揮作用。
該成果不僅適用於超並行雷射加工，還可為寬頻手性光量子學、強光場下軌道角動量傳送等研究方向提供拓展空間，構建了一套基於幹涉原理、可規模化拓展的光場調控基礎平台。
中田副教授表示：「光波面呈漩渦狀傳播的光學漩渦，此前只能少量、低功率地生成。本研究從理論層面重新審視光學漩渦的基礎特性，證實可以同時攻克規模化與高功率化兩大技術難題。我們希望藉此通過觀測和創造新現象，探索以往無法觸及的未知現象，開拓新的科學可能性。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Light: Science & Applications
論文：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
