▍本文由論文作者團隊（課題組）投稿

貝塞爾光束具有顯著的大景深和自愈特性，已廣泛應用于量子糾纏、水下3D成像、光學微操作、顯微鏡等領域。然而，傳統產生貝塞爾光束的方法（例如圓形狹縫和透鏡、圓錐棱鏡、空間光調制器（SLM）等），由于使用了體積龐大的光學元件，使系統笨重而復雜，阻礙了貝塞爾光束在實際中的應用。

最近，已經提出的幾個緊湊系統，如通過使用光子集成回路（PIC）、超表面、集成波導和3D打印光纖等方法生成貝塞爾光束。但是，上述技術產生的貝塞爾光束傳播距離短，嚴重限制了貝塞爾光束在長傳播距離場景中的應用。

來自吉林大學電子科學與工程學院，集成光電子學國家重點實驗室、鵬城國家實驗室的宋俊峰教授領導的研究小組，提出了一種基于絕緣體上硅（SOI）工藝的圓周分布光柵陣列光子芯片結構，以產生長傳播距離的貝塞爾高斯光束（BGb）。激光波長在1500nm至1630nm范圍內均可發射出具有第一類貝塞爾函數強度分布的激光光束，在沒有任何光學元件的情況下，他們在實驗室測量到10.24 m。最后，他們將這種光子芯片應用于旋轉目標的旋轉速度和距離的測量。

該成果以“On-chip generation of Bessel–Gaussian beam via concentrically distributed grating arrays for long-range sensing”為題發表在Light: Science & Applications。該工作得到了國家重點研發計劃，國家自然科學基金項目，吉林省重大科技計劃和吉林大學科技創新研究團隊計劃的資助。

他們總結了集成硅光子芯片產生長距離貝塞爾-高斯光束的原理：“貝塞爾高斯光束可以通過系列光柵光束的疊加來獲得。每個光柵光束可以近似為高斯光束，由于各高斯光束之間的相干性，和圓周分布的對稱性，使其在交疊區內形成了貝塞爾高斯光束。高斯光束的發射角和發散角決定了交疊區所在空間位置，理論上，交疊區可以到無窮遠?！?/p>

“接下來，為了產生長距離BGb，波導結構需要被精心設計，特別是光柵陣列寬度和光柵周期。為此，我們進行了大量的模擬工作，最終確定了它們的尺寸。如圖1所示，在SOI上集成了64個光柵陣列，整個環形結構的直徑為870μm，用130nm制程的CMOS工藝制造。”

圖1：集成芯片式貝塞爾高斯光束發生器. a 集成硅光子芯片的光學顯微圖，左下角子圖是工作狀態下芯片表面近場圖案. b 光子芯片局部光柵陣列的放大圖，掃描電子顯微鏡下光柵陣列圖及光柵尺寸示意圖. c 仿真的光柵陣列遠場圖. d 距離芯片表面5.91m處測量到的貝塞爾高斯光束輪廓. e 5.91m處貝塞爾高斯光束的一維截線輪廓。

“旋轉是自然界中的一種常見的現象，測量旋轉速度的方法對于揭示物質特性、精密測量和分析天體組成至關重要。貝塞爾高斯光束由兩個轉向相反的1階渦旋光束組成，貝塞爾高斯光束的偏振特性如圖2所示。

圖2：集成光子芯片產生的貝塞爾高斯光束的偏振特性。a 理論上遠場的光束強度分布, b - e 理論上不同偏振狀態下的強度分布. f 芯片表面2.2 m處測量的光場強度分布, g - j 芯片表面2.2 m處測量的經過不同角度偏振片的光場強度分布。

利用渦旋光束的旋轉多普勒效應探測了旋轉物體的旋轉速度（如圖3所示），并利用相位測距原理測量了物體距離。這可以為高精度測量物體旋轉速度和距離信息提供集成化的解決方案。”

圖3：使用硅光子芯片生成的貝塞爾高斯光束測量旋轉物體的旋轉速度的實驗裝置示意圖及實驗結果。a 實驗裝置圖. b 不同旋轉速度下(75 r/s - 100 r/s)的測量結果. c 速度分辨率測試，在99.7 r/s到100 r/s范圍內等間距測量十個速度,對于b,c紅色的點是測量數據，藍色的線是理論數據。

“由于所報道的集成光芯片尺寸不到1平方毫米，在大規模生產中，單個芯片的成本將降低到50美分以下。這種低成本，高質量，長距離的BGb發射器是未來貝塞爾光束在大規模，小型化，高穩定應用場景中的關鍵”他們補充道。

| 論文信息 |

Zhi, Z., Na, Q., Xie, Q. et al. On-chip generation of Bessel–Gaussian beam via concentrically distributed grating arrays for long-range sensing. Light Sci Appl 12, 92 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01133-2

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