Chin. Opt. Lett.封面 | 华中科技大学王健教授团队：利用双光子聚合3D打印制备拓扑光学涡旋器件

Chinese Optics Letters 2026年第5期On the Cover:

Tianhao Fu, Kangrui Wang, Shiao Ding, Chengkun Cai, Shuhui Li, Jian Wang, "Shaping the Hopf link and Trefoil knot in optical vortices by femtosecond laser-inscribed ultra-compact 3D devices," Chin. Opt. Lett. 24, 051301 (2026)

研究背景与拟解决问题

光学涡旋是一种携带轨道角动量的相位奇点光束，其在光通信、量子科学、光镊等领域具有重要应用。近年来，研究者对在三维空间中操控光学涡旋线形成拓扑扭结结构（如Hopf链环和三叶结）产生了浓厚兴趣。传统意义上，这类复杂光场的产生依赖于空间光调制器（SLM）等设备，但这些系统通常工作带宽有限且需要庞大笨重的光学装置。液晶相位板和超表面虽可实现紧凑化，但本质上仍属二维平面器件，面临设计空间受限和相位量化引入显著误差两大挑战。因此，如何利用真正的三维制造技术实现对光场波前的精确调控，生成复杂拓扑涡旋结构，成为亟待解决的问题。

基于双光子聚合（TPP）技术制备三维聚合物DOE，实现宽带拓扑光场调控与复杂光学结生成的示意图

华中科技大学王健教授团队在Berry和Dennis等人发展的光学涡旋结理论基础上，具体采用基于Milnor映射的代数方法设计携带扭结涡旋线的光场，通过将目标光场的相位分布编码为纯相位全息图、并结合闪耀光栅实现衍射分束。在实验方面，研究者采用基于双光子聚合（TPP）的飞秒激光直写技术，将相位全息图转化为超紧凑三维聚合物衍射光学元件（DOE），单个器件尺寸仅为280 μm×280 μm×3.1 μm。制备过程中采用高数值孔径油浸物镜将飞秒激光聚焦于光刻胶内部，通过高精度位移台控制焦点位置实现微纳加工。在表征方面，搭建了可调谐波长（1500–1640 nm）的马赫-曾德尔干涉光路，利用离轴全息术和沿光轴逐层扫描的方法，从干涉图中重构出不同横向平面内的强度和相位分布，进而准确提取奇点位置并重建三维涡旋线拓扑结构。相关研究成果以“Shaping the Hopf link and Trefoil knot in optical vortices by femtosecond laser-inscribed ultra-compact 3D devices”为题，发表于Chinese Optics Letters 2026年第5期，被遴选为封面文章。

研究团队的核心创新在于首次利用基于双光子聚合的三维亚微米分辨率直写技术，成功制备了能够生成Hopf链环和三叶结光学涡旋结构的超紧凑聚合物DOE。相较于传统二维器件，三维DOE从根本上拓展了波前调控的设计自由度，显著降低了相位量化误差。此外，实验验证了所生成拓扑结构在140 nm宽带波长范围内（1500–1640 nm）具有良好的稳定性，重构体积均保持在120 μm×120 μm×3.3 mm量级。该工作不仅证明了三维微纳加工技术生成复杂光场拓扑结构的可行性，也为紧凑型奇点光学元件的发展提供了一条重要技术路径；其潜在应用涵盖光学捕获与操控、基于拓扑保护的高容量全息编码与信息存储、量子信息处理等领域。

展望未来，研究者指出该类三维聚合物DOE有望进一步推动光学涡旋结在光学捕获、信息保密等方向的实际集成化应用。同时可预见，通过优化加工精度与材料体系，将实现对更复杂拓扑结构（如嵌套涡旋结和光子Hopfion）的生成与调控，并结合偏振复用等手段提升编码维度与信息容量。此外，该技术与自旋-轨道耦合、非厄米拓扑光子学的前沿交叉研究，也值得深入探索。

作者简介

王健（IEEE会士）于2008年在华中科技大学武汉光电国家研究中心获得物理电子学博士学位。2009年至2011年，他在美国南加州大学光通信实验室从事博士后研究。目前是华中科技大学武汉光电国家研究中心教授，副主任。现任IEEE会士、OPTICA会士、SPIE会士、IOP会士、IET会士、中国光学学会会士。同时担任《IEEE Photonics Journal》主编、《Frontiers of Optoelectronics》执行主编、《Chinese Optics Letters》副主编，曾担任《Optics Letters》专题编辑，并经常为《Nature Photonics》和《Nature Communications》等期刊审稿。

付天昊分别于2022年和2025年在华中科技大学获得工学学士和工学硕士学位，研究方向为飞秒激光加工。

王康睿于2022年在华中科技大学获得材料工程理学学士学位，随后在该校攻读博士学位，研究方向包括三维集成制造与衍射神经网络。