导读

近日，天津大学姚建铨院士课题组与首都师范大学张岩教授课题组合作报道了一种通用的全介质超表面平台，可以在太赫兹波段产生纵向变化的矢量涡旋光束。作为概念证明演示，表征了一系列产生涡旋光束拓扑荷演化和矢量涡旋光束的矢量偏振态演化的超表面。实验与仿真结果充分验证了所提方案的可行性。该方案在可见光和微波等波段同样适用。相关成果以“Creating longitudinally varying vector vortex beams with an all-dielectric metasurface”为题发表于Laser & Photonics Reviews上。天津大学郑程龙博士为该项工作的第一作者，天津大学张雅婷副教授、姚建铨院士和首都师范大学张岩教授为论文的通讯作者。本工作得到了包括国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目资助。

研究背景

携带有轨道角动量的电磁波称为涡旋波，具有螺旋状的相位结构和甜甜圈状的强度分布。由于具有不同拓扑荷的涡旋光束之间的模式正交性，使得其在大容量通信中具有重要的应用价值。除此之外，涡旋光束还被广泛应用于捕获和旋转微粒、量子信息、超分辨成像等领域。

除了具有空间均匀的偏振光外，具有不均匀偏振特征的光束称为矢量光束，也是当前的研究热点。其独特的偏振分布引起了其在光学捕获、超分辨显微、激光加工方面的工程应用。轴向双折射元件、空间变化延迟器、超表面等都可以用来产生矢量光束。同时具有非均匀的偏振态和携带轨道角动量的光束称为矢量涡旋光束。

除了只考虑单个平面上的偏振和涡旋分布，也有一些文献报道了在多个平面上操控光场的能力。然而，现有的这些方案要么是采用体积庞大的空间光调制器实现，要么需要复杂的光路以及滤波操控才能实现。这些在实际应用特别是在太赫兹波段会造成很大的限制。 

亮点 

图1 可产生纵向变化的矢量涡旋光束的全介质超表面示意图。

（1）涡旋光束拓扑荷纵向演化

首先展示了该超表面器件产生纵向变化的涡旋光束的能力。在左旋圆偏振（LCP）波入射下，产生的涡旋光束的拓扑荷随着传播距离的增大从l = +2演化到 l = -2（如图2a1和a2所示）；在右旋圆偏振（RCP）波入射下，产生的涡旋光束的拓扑荷随着传播距离从l = +1演化到l  = -1（如图2a3和a4所示）。计算的模式纯度随传播距离的演化同样证实了这一现象（如图2b所示）。

图2 产生涡旋光束的拓扑荷纵向演化的表征

（2）矢量涡旋光束偏振态的纵向演化

通过将产生多个涡旋态的相位赋予超表面，并操纵左右旋圆偏振间的相位差，设计了一种能够产生的矢量涡旋态从一阶径向偏振往二阶径向偏振演化的超表面（如图3）。可以通过观察不同入射和出射偏振下的光强分布和仿真的偏振分布识别出相应场的偏振态。

图3 产生矢量涡旋光束的偏振态纵向演化的表征

总结与展望 

本文展示了利用全介质超表面平台产生纵向变化的矢量涡旋光束。通过充分利用传输相位和几何相位两个自由度，将两束不同焦距的长焦深涡旋光束集成到两种正交的圆偏振态。通过改变监测距离，观测到纵向变化的矢量涡旋光束。虽然提出的方案是在太赫兹波段被验证，它同样适用于其他波长，包括可见光和微波范围。所提出的超表面策略可以应用于从粒子操控和偏振光学。

7月，中国首款具有完全自主知识产权国产大飞机C919在广西正进行常态化试飞，中国空间站重要组成部分问天实验舱将搭载长征五号B遥三火箭发射升空……航空航天领域果实累累。交汇点记者了解到，飞机和火箭的成功研发，位于江苏的南京先进激光技术研究院（简称“南京激光院”）自主研发的精准激光焊接技术功不可没。

“我们主导研究的‘航空航天轻合金大型复杂结构精准激光焊接技术与装备’项目取得了重大突破！”南京激光院“航空航天轻合金大型复杂结构精准激光焊接技术与装备”项目经理唐一峰介绍，目前研发成果“双光束双侧同步焊接技术”成功应用于C919大型客机机身壁板结构、长征五号重型运载火箭框桁式贮箱结构等，为我国航空航天制造水平与全球竞争力的提升做出了重要贡献。

“质量轻”“强度高”，专家解析飞行器结构

C919大型客机的机身壁板结构是什么？长征五号重型运载火箭的框桁式贮箱结构又是什么？为什么C919大型客机和长征五号火箭在制造过程中需要利用精准激光技术？记者咨询了南京激光院的专家。

“C919大型客机的机身壁板结构常被称作‘骨架蒙皮结构’，或‘蒙皮-桁条T型结构’。”唐一峰告诉记者，简单来讲，就是机身壁板内部有长桁条作为骨架支撑连接，外部蒙上一层金属板，形成一个共同作用体系。“这样既能够实现机身结构的轻质，又能够保证机身结构的强度。”他解释。

长征五号重型运载火箭由于拥有壮硕的身躯，被称为“胖五”，起飞重量达878吨。而火箭贮箱犹如一个“大肚子”，占火箭结构重量60%以上，装载为火箭提供助力的推进剂。“‘贮箱’指的就是火箭中部的那个‘筒’。框桁式的贮箱结构由外而内分别由蒙皮、桁条和环形的框组成。”唐一峰说，蒙皮用于承担内部液体燃料的压力，桁条用于承担“筒体”的轴向载荷，从而提高整体结构的承载效率，并降低贮箱自身重量。

“航空航天领域飞行器制造材料的关键要求是质量轻、强度高。”唐一峰介绍，制造飞行器的材料一般是铝合金、镁合金、钛合金以及复合材料等轻质材料，而双光束双侧同步焊接技术能够迎合这类轻质材料的焊接需求。“光是制造材料满足服役强度还不够，还要尽量减少材料的使用。”他补充，“无论是客机的机身壁板结构还是运载火箭的贮箱结构，在结构设计时都会注意这一点。”

双光束焊接实现省成本、减“体重”

“激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法，对零件的装配精度要求较高。”唐一峰表示，铝合金、镁合金等轻合金属于激光焊接的高反材料，焊接过程中容易出现气孔和裂纹，焊接后应力大、变形难以控制。“所以飞机机身壁板和火箭框桁式贮箱的焊接难度极高。”

“我们通过双光束双侧同步焊接技术实现了桁条与蒙皮T字型接头的双侧同步焊接。这样既改善了长焊缝的焊接接头变形问题，又提高了它的强度。”唐一峰介绍，相比于航空航天大型复杂壁板舱体制造通常采用的传统铆接工艺，双光束双侧同步焊接技术能够减少壁板5%的结构重量，降低15%的制造成本，并具有气密性好、疲劳性能高、生产效率高、容易实现自动化、柔性化等优点。

“T型接头是空间三维复杂的曲线结构。为了满足这种复杂结构的焊接需求，提高精密度与效率，我们自主开发了离线编程软件，在电脑上模拟机器人的焊接过程，并优化整个激光焊接工作。”唐一峰回忆，正是因为研究人员不断提问、不断改进、一步一个脚印，才取得了航空航天领域精准激光焊接技术的重大突破。“我们攻克了大型龙门的焊接设备双机器人无差别同步协调控制和双侧激光束能量平均分配等难题，最终实现了桁条T型接头的双光束双侧同步焊接。”这项技术还获得了2021年江苏省科学技术奖一等奖。

前景广阔，推动智能制造、钢铁冶金

“相比于以往传统的加工方式，双光束双侧同步焊接技术有两个重要特点：节约材料和提高强度。”唐一峰强调，“这表示双光束双侧同步焊接技术在飞行器制造方面有很大潜力。”他补充，除了应用于飞行器制造领域，激光焊接技术还可以应用于化工领域。“许多化学容器会有T字型结构，利用双侧同步焊接技术就可以提高容器质量。”

“我们使用大型龙门装载了两台可以实现同步协同控制的机器人，这一装备技术推动了智能制造领域的发展；此外，双光束双侧同步焊接技术为钢铁冶金的材料制备方面也提供了宝贵经验。”唐一峰表示，精准激光焊接技术与装备技术的突破将进一步推动江苏航空航天、智能制造、钢铁冶金等产业的发展，为江苏高端智能装备的发展探索出一条新的路径。

据了解，在航空航天领域，南京激光院的科研人员将瞄准轻型合金材质的大型复杂结构间激光焊接的重大机理以及技术装备，进一步围绕飞行器的轻重量、高性能、长使用寿命、高可靠性等重大需求开展研究。“我们希望能够继续推动飞行器制造的减重效果与结构强度。”唐一峰期望。

玻璃加工转型

玻璃是非晶无机非金属材料，一般是由多种无机矿物为主要原料，加入少量辅助原料制作而成。玻璃材料凭借造型多变、抗冲击性好、成本可控等诸多优点广泛应用于建筑、汽车、电子等领域。

尽管玻璃材料有许多优点，但是由于它属于脆性材料，加工过程中容易出现裂纹、边缘毛糙等问题。而且不同厚度以及不同应用的玻璃(如光伏玻璃）对加工工艺的要求也有所不同,因此，如何提高玻璃的切割质量成为业内共同的目标。随着激光技术的发展，激光切割也被广泛应用于玻璃加工领域。

                                                                                                              普通玻璃                                                光伏玻璃

激光切割优势

传统玻璃切割

切割是玻璃生产和深加工过程中必不可少的基本工序，传统的玻璃切割工艺主要有刀轮切割和CNC研磨切割。刀轮切割的玻璃崩边大、边缘粗糙，加工品质和精度难以保证，后期维护工序多且复杂造成成本增加。CNC较刀轮的精度有所提升，但是速度难以保证。

激光切割

玻璃是热的不良导体，对红外线的吸收率很低，透光率高达93%。常态下用1070nm波长激光切割玻璃基本不能形成加工，红外激光切割玻璃需要高达100kW的峰值功率。超快皮秒激光器早已应用于玻璃切割，但是由于其设备成本极高，目前主要应用于3C、显示等领域，难以大范围推广。

光至科技推出高光束质量、高峰值功率的可调脉宽GT系列激光器用于玻璃切孔，效率高，效果好。相较于普通激光器，具有更短的脉冲宽度、更高的峰值功率和更大的功率密度。高能量密度的高峰值激光作用于玻璃可以迅速破坏玻璃的损伤阈值，达到加工的效果。高峰值功率激光器应用于玻璃切孔具有锥度小、精度高、崩边小、无耗材、免维护等优点，还易于集成适用自动化生产。

激光切孔实测

测试一：采用F-80-GT-10-N3激光器在不同玻璃材料上进行切孔测试。分别在家用普通平板玻璃、光伏玻璃、单面磨砂玻璃、镜面玻璃、彩色玻璃、成型玻璃容器等可透光玻璃上进行圆孔、非圆形孔切割测试。结果表明F-80-GT-10-N3可以适用多种玻璃材料的切孔，且能灵活地设计切割形状，切割后孔内壁干净、基本无粉尘残留，玻璃损伤低，崩边可低至200μm，效率高。

测试二：采用F-80-GT-10-N3对不同厚度普通玻璃进行切孔测试，整理出不同孔径的切割时效以供参考。相比机械钻孔，激光切割具有非常显著的优势。

优选激光器

F-80-GT-10-N3

光至科技GT系列激光器平均功率范围80~200W,可在不同玻璃材质上切孔，最小切割孔径0.5mm，且不受切割形状限制，质量高，速度快。已与多家玻璃加工厂商合作，未来光至科技将不断地加大研发力度，结合商家反馈不断地优化激光器性能，为大家提供更优质的激光器。