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为解决 LED 作为非相干光源难以产生复杂相位和偏振光束的问题，研究人员开展电注入量子点（QD）LED 发射涡旋光束研究。通过集成光子环境，器件实现 300 nm 带宽近红外涡旋光发射，为非激光结构化光源提供新路径。
在光学领域，结构化光束如涡旋光束因其独特的相位和偏振特性，在光通信、光学操控和量子信息等领域展现出巨大应用潜力。传统上，这类光束的产生高度依赖激光，因为激光的相干性能够通过精心设计的干涉来形成结构化光束。然而，激光通常需要光学泵浦的相干腔，结构复杂且在某些场景（如需要眼安全或暖色调光的应用）中存在局限性。发光二极管（LED）作为非相干光源，虽具有紧凑、高效等优点，但由于其自发辐射的特性，各发光点独立随机发光，缺乏长程空间相关性，难以直接产生具有特定相位和偏振特性的复杂光束，这成为限制 LED 在结构化光束领域应用的关键瓶颈。因此，开发无需激光腔、可直接电注入产生结构化光束的 LED 器件，成为光学领域的重要研究目标。
来自法国巴黎城市大学（Université Paris Cité）和索邦大学（Sorbonne Université）的研究人员针对这一挑战展开研究，旨在突破传统激光对结构化光束产生的限制，探索 LED 在复杂光束发射方面的新可能。他们通过巧妙设计器件结构，将胶体硫化铅（PbS）量子点（QD）LED 与具有特定功能的光子环境相结合，成功开发出能够电注入发射定向涡旋光束的非激光光源。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为非相干光源产生复杂光束开辟了新路径。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：
- 器件设计与制备：利用电子束光刻技术在器件中制备金（Au）螺旋或非晶硅（a-Si）螺旋结构，并通过旋涂等工艺构建包含电子传输层（如 TiO?纳米晶体）、空穴传输层（如 p 型掺杂 PbS QDs）、发光层（n 型掺杂 PbS QDs）和透明阳极（ITO）等多层结构的 LED 器件。
- 全波模拟：使用商业有限元代码（COMSOL Multiphysics）对器件中的光子模式进行模拟，分析不同结构下的光场分布和传播特性，以优化器件设计。
- 干涉测量与相位表征：通过制备包含螺旋光栅和牛眼光栅的干涉型 LED 器件，结合傅里叶成像和光谱仪，对发射光的相位分布进行测量，验证涡旋光束的产生。
结果
器件结构与发光特性
所设计的 LED 器件结构紧凑（厚度小于 500 nm），核心部分为集成 Au 螺旋的 PbS QD 发光层。电注入后，器件从中心区域发射近红外光，电致发光（EL）光谱显示出覆盖 1200-1600 nm 的宽峰，反映了 QD 尺寸的分布。通过傅里叶成像和光谱仪记录的 EL 色散关系显示，存在两组具有不同偏振特性的导模：一组为 TE 极化的介质模式（分支 1a 和 1b），另一组为 TM 极化的混合等离激元 - 介质模式（分支 2）。这些模式具有扩展的空间相干性，TE 模式的相干长度达 34 μm，TM 模式为 16 μm。
涡旋光束的相位奇点验证
为验证涡旋光束的相位特性，研究人员制备了四组干涉型 LED，每组器件的螺旋光栅与具有不同初始相位的牛眼光栅叠加。通过测量四组器件的 EL 发射图案，并利用反正切函数计算相位分布，结果显示相位围绕中心奇点从 -π 到 +π 旋转，明确证实了涡旋光束的产生。理论模拟通过标量分析模型成功重现了实验观察到的相位奇点，进一步支持了器件产生涡旋光束的机制。
材料改进与器件鲁棒性优化
最初使用 Au 螺旋的器件在高电压下易因电流不均匀导致短路失效。为解决这一问题，研究人员将 Au 螺旋替换为高折射率的非导电材料 a-Si，新器件在超过 10 V 电压下仍表现出稳定的电特性，证明了结构的鲁棒性。尽管 a-Si 器件的 EL 色散关系仅显示一组混合模式，且背景噪声较高，但其仍能产生具有拓扑电荷 m=1 的涡旋光束，验证了非导电光子结构在光束调控中的有效性。
结论与讨论
本研究成功展示了紧凑型 QD LED 电注入发射宽带涡旋光束的能力，通过两种不同结构（Au 和 a-Si 螺旋）实现了自发辐射的先进控制与电注入的兼容。关键在于利用光子环境使发光体占据具有扩展空间相干性的径向光子模式，并将这些模式的泄漏结构化到自由空间中。器件产生的涡旋光束具有 300 nm 的带宽，覆盖近红外区域，为传统依赖激光的结构化光束应用提供了新的非激光替代方案。
该研究的意义主要体现在以下方面：
- 技术突破：首次在非激光光源中实现电注入涡旋光束发射，突破了传统激光对相干腔的依赖，拓展了 LED 的功能边界。
- 应用潜力：宽带涡旋光束在无线光通信（如基于轨道角动量的传输协议）、片上实验室平台（作为光学探针或镊子）等领域具有广阔应用前景，尤其是在需要眼安全和暖色调光的场景中优势显著。
- 研究拓展：该方法可轻松扩展至产生更高拓扑电荷的涡旋光束，甚至有望通过将连续 QD 层替换为单个发光体，实现单光子发射，为量子光学研究提供新工具。
总之，这项工作不仅丰富了 LED 的功能阵列，还为非相干光源的复杂光束调控开辟了新方向，推动了光学、材料科学和信息技术的交叉融合与发展。
