用于远距离传感的贝塞尔-高斯波束片上生成器

a 用作贝塞尔高斯光束发生器的集成光子芯片的光学显微镜图像。b 光子芯片中局部光栅阵列的放大图和光栅阵列的扫描电子显微镜（SEM）图像。 c 光栅发射器远场的模拟强度分布： 科学与应用》（2023 年）。DOI: 10.1038/s41377-023-01133-2

贝塞尔光束具有显著的景深和自愈特性，已被广泛应用于量子纠缠、水下三维成像、光学微操作、显微镜等领域。然而，这些方法，如圆缝和透镜、axicon、空间光调制器（SLM）等，由于使用笨重的光学元件而变得复杂，阻碍了贝塞尔光束发生系统在实际应用中的发展。

最近，人们提出了几种利用光子集成电路（PIC）、元表面、集成波导和三维打印光纤生成贝塞尔光束的紧凑型系统。但上述技术产生的贝塞尔光束传播距离较短，这极大地限制了贝塞尔光束在需要长传播距离场景中的应用。

在发表于《光： 科学与应用》（Light: Science & Applications）上发表的一项新研究中，吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点实验室宋俊峰教授领导的科学家团队、深圳鹏程实验室及其合作者提出了一种前所未有的基于硅光子光栅阵列的结构，用于产生传播距离较长（实测为 10.24 米）的贝塞尔高斯光束（BGb）。

光栅阵列在芯片上同心分布。此外，还获得了波长范围为 1500 nm 至 1630 nm 的贝塞尔高斯光束轮廓。光强的空间分布遵循第一种贝塞尔函数。最后，研究人员还利用方位偏振光栅同时测量目标的旋转速度和距离。

报告中的方法和技术具有体积小、成本低、可大规模生产等特点，有望使贝塞尔高斯光束广泛应用于光通信和微操作领域。

该研究小组总结了其集成硅光子芯片产生长距离贝塞尔-高斯光束的原理：

"贝塞尔高斯光束可以通过一系列高斯光束的叠加获得。这一过程不仅与发射角有关，还与高斯光束的发散半角有关。由于高斯光束之间的相干性和圆形分布的对称性，在重叠区域会形成贝塞尔-高斯光束。高斯光束的发射角和发散角决定了重叠区的空间位置。理论上，重叠区域可以达到无穷大"。

"其次，为了实现长距离 BGb，我们对波导结构进行了精心设计，尤其是光栅阵列宽度和光栅周期。我们做了大量的模拟，最终确定了它们的尺寸。整个环形结构的直径为 870 μm，64 道光栅发射器呈环形排列。该光子芯片采用新加坡先进微铸造厂（AMF）标准 130 纳米 8 英寸 CMOS 工艺，在绝缘体上硅（SOI）基板上制造而成。"

"旋转是自然界的基本现象，而测量旋转速度的有效方法对于揭示物理特性、管理精密机械和分析天体组成至关重要。为了证明所生成的 BGb 的功能，我们还通过旋转多普勒效应实验测量了旋转物体的旋转速度，并通过相位激光测距原理测量了距离。片上 BGb 可为有效的旋转测量提供集成解决方案"。

"由于该装置的面积小于 1 平方毫米，批量生产时单个装置的成本将降至 50 美分以下。他们补充说："这种低成本、高质量和长距离的片上 BGb 发生器是未来贝塞尔光束在大规模、微型化和高稳定性应用场景中的关键。
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参考资料

Zihao Zhi et al, On-chip generation of Bessel–Gaussian beam via concentrically distributed grating arrays for long-range sensing, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01133-2

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