近日，波蘭華沙大學與法國克萊蒙奧弗涅大學等團隊在《Science Advances》上發表重要研究成果，首次在液晶拓撲微腔中實現了基態軌道角動量（OAM）激光輸出。該研究中，Cobolt Tor XS激光器作為核心激發光源，為關鍵的光致發光與激光實驗提供了穩定可靠的泵浦激勵。
攜帶軌道角動量的激光，為什么重要？
攜帶軌道角動量（OAM）的激光束，因其螺旋波前結構而具有獨特的物理性質，在光鑷操控、超高速光通信和量子計算等領域有著重要的應用前景。然而，傳統產生OAM光束的方法依賴體光學元件來給入射光束"印上"所需的相位分布，這些方法既不可擴展，也難以調諧，還對入射光束有嚴格限制。
因此，如何實現片上OAM激光器，一直是光子學領域的重要挑戰。
拓撲缺陷"扭子"：自組裝的光子陷阱
這項研究選擇了一條獨特的技術路徑——利用液晶中的拓撲缺陷。
圖1手性向列相液晶拓撲子 （A）內嵌拓撲子結構的染料摻雜光學微腔示意圖。垂直偏振態（綠色雙向箭頭）沿 y 軸定義（與光譜儀狹縫平行），水平偏振態（紫色雙向箭頭）沿 x 軸定義（與狹縫垂直）。 （B）基本拓撲子的指向矢分布示意圖。 （C）至（E）不同薄膜厚度 d（局部微腔厚度）下，拓撲子的正交偏光白光透射圖像。 （F）受限在液晶微腔內的單個拓撲子的動量分辨透射光譜；（G）空間分辨透射光譜。
研究團隊制備了一種特殊的光學微腔：由兩個基于TiO?/SiO?的分布式布拉格反射鏡構成，腔內填充垂面取向的液晶基質。在取向層施加結構擾動的區域，手性拓撲缺陷會自發形成，這種缺陷被稱為"扭子"（toron）。扭子的微觀結構可以理解為一個雙扭曲圓柱彎曲成環面，具有霍普夫纖維化的拓撲特征。
圖 2 液晶微腔中單拓撲子束縛光子態的光譜與偏振特性 實驗結果[(A) 至 (N)]：分別為第一激發態 (A 至 C) 與基態 (D 至 F) 對應的動量空間斯托克斯參數 S?、S?、S?分布；動量分辨 (G) 與空間分辨 (H) 透射光譜，其中黑色與白色箭頭分別指示第一激發態與基態的能量；分別為第一激發態 (I 至 K) 與基態 (L 至 N) 對應的實空間斯托克斯參數 S?、S?、S?分布。 理論結果 [(O) 至 (BB)]：分別為前兩個簡并激發態 (O 至 Q) 與基態 (R 至 T) 對應的動量空間斯托克斯參數 S?、S?、S?分布；分別沿 k?=0 與 y=0 方向的動量 (U) 與實空間 (V) 強度光譜；分別為前兩個簡并激發態 (W 至 Y) 與基態 (Z 至 BB) 對應的實空間斯托克斯參數 S?、S?、S?分布。
這些扭子就像天然的光子陷阱，能夠束縛一系列局域光學態，形成束縛勢。更令人驚訝的是，研究團隊發現，扭子內部空間變化的液晶分子取向產生了等效的非阿貝爾規范場，正是這個規范場驅動了一種拓撲轉變——基態與激發態的順序發生了反轉。
在常規物理系統中，基態通常是"最簡單"的狀態——沒有節點、沒有角動量。但在這項研究中，由于非阿貝爾規范場的作用，基態竟然攜帶了非零的軌道角動量，而通常意義上的"正常"基態反而被推到了更高的能量位置。
研究團隊通過偏振分辨的動量空間和實空間透射光譜，對單個扭子束縛的光子態進行了詳細的表征。他們觀察到：基態在動量空間中心呈現強度極小值，而第一激發態在中心呈現強度極大值——這與常規的"節點定理"預期恰好相反。
電場可調：拓撲相變的動態操控
除了OAM激光的首次實現，該工作還展示了液晶體系獨特的可調諧優勢。通過在透明ITO電極上施加交流電壓，可以動態壓縮扭子的尺寸，從而調控其能譜結構。
圖 3 攜帶軌道角動量的激光發射 （A）激光閾值以下、（B）激光閾值以上測得的動量分辨光致發光光譜。 （C）單個拓撲子的水平偏振（粉色，H）與垂直偏振（綠色，V）激光信號疊加后的實空間圖像。 （D）、（E）分別為右旋圓偏振（σ?）與左旋圓偏振（σ?）下采集的干涉圖樣。 方向相反的叉狀圖樣表明，兩種圓偏振態攜帶符號相反的軌道角動量（OAM）。 比例尺：1.5 μm。
實驗發現，當扭子直徑較小時（約3.1 μm），能態呈現"正常"排序，基態無OAM；隨著扭子尺寸增大（約6.1 μm），系統經歷了拓撲轉變，基態變為攜帶OAM的狀態。理論計算與實驗結果在轉變區域高度吻合，充分驗證了這一拓撲轉變的物理本質。
不過，研究團隊也指出，減小扭子尺寸并不能實現從拓撲非平庸態到平庸態的激光切換，因為這一過程會同時降低兩個模式的品質因子，激光在拓撲轉變發生之前就已經消失了。
這項工作實現了三大突破：首次在液晶拓撲微腔中實現了基態OAM激光；揭示了空間變化雙折射等效非阿貝爾規范場驅動拓撲轉變的物理機制；展示了電場調控拓撲相變的動態操控能力。
研究團隊在論文中展望，這項研究為非阿貝爾規范場在光子系統中的基礎研究和潛在應用開辟了廣闊前景。而對于Cobolt激光器而言，這篇頂刊論文再次證明了其在前沿光子學研究中的可靠性和不可替代性——當科學家需要用精確的光脈沖去激發微觀世界中的拓撲奇觀時，Cobolt始終是值得信賴的伙伴。
Cobolt激光器
為了驗證基態確實攜帶軌道角動量，研究團隊需要在實驗中實現并觀測激光發射。Cobolt Tor XS激光器在這一關鍵環節發揮了不可替代的作用。
該激光器是一款調Q二極管泵浦固體激光器，中心波長532 nm，脈沖寬度約2 ns。研究團隊使用它作為泵浦光源，激發摻有激光染料Pyrromethene 580的液晶微腔樣品，從而實現了單個扭子態的激光發射。
實驗結果顯示：在泵浦能量低于激光閾值時，光譜中最強的信號來自扭子周圍區域的微腔模式，基態的自發發射信號較弱；而當泵浦能量超過閾值后，發射信號完全由基態激光主導，其在k=0處呈現強度極小值——這正是OAM光的標志性特征。
進一步地，研究團隊對單個扭子的激光信號進行了干涉測量。在σ?和σ?圓偏振下，分別觀察到了叉形干涉條紋，且兩種偏振下的條紋方向恰好相反，這直接證實了激光基態在兩個正交圓偏振分量中攜帶了符號相反的軌道角動量。
簡言之，正是Cobolt Tor XS激光器提供的穩定、精確的納秒脈沖激勵，才使得研究團隊能夠跨越自發輻射到受激輻射的閾值，將扭子微腔中的OAM基態"點亮"為可觀測的激光輸出，從而完成了對拓撲轉變現象的完整實驗驗證。
參考論文
"Ground-state orbital angular momentum lasing from liquid crystal torons embedded in a microcavity," Science Advances(2026).
