GHz声光涡旋：可调拓扑电荷实现轨道角动量动态调控新突破

研究人员通过设计螺旋形体声波谐振器(BAWR)，在GHz频段实现了可调拓扑电荷(?=1-13)的声学涡旋生成，解决了高频声光轨道角动量(OAM)动态调控的难题。该器件能将声涡旋的OAM特性转移至反射光场，为光通信、粒子操控和量子混合系统提供了新型集成化解决方案，发表于《Nature Communications》。

　　

在光场调控领域，轨道角动量(OAM)作为光子除自旋角动量外的另一个重要自由度，为光通信、粒子操控和量子技术带来了革命性突破。然而传统OAM调控技术面临两大瓶颈：一是高频动态调控受限，现有技术多在MHz频段工作；二是固态集成困难，宏观光学元件难以实现芯片级集成。A.Pitanti团队在《Nature Communications》发表的创新研究，通过声学涡旋与光场的巧妙耦合，成功突破了这些限制。

研究团队采用三项核心技术：1）螺旋形电极设计的体声波谐振器(BAWR)，通过几何参数η=g/λ_a控制拓扑电荷；2）Michelson干涉测量系统，实现1μm空间分辨的声场相位/振幅测绘；3）三维有限元模拟，验证声涡旋的拓扑特性。实验使用双抛蓝宝石衬底(425μm厚)和ZnO压电层(700nm)构建器件。

【Device concept】研究团队创新性地将BAWR顶部接触电极设计为阿基米德螺旋(AS)结构，其半径遵循AS(θ)=R₀+gθ/2π的数学形式。当施加射频信号时，这种特殊几何形状能打破传统圆形谐振器的径向波前对称性，在固体介质中产生携带OAM的声学涡旋。通过移动边界效应，声涡旋的相位特征可转移至反射光场，形成时变OAM光束。

【Vortex characterization】实验证实，单螺旋结构(M=1)在0.5-1.5GHz范围内，仅需调节驱动频率即可实现?=1到?=4的连续调控（图4）。通过增加螺旋臂数(M)，可在固定频率下倍增拓扑电荷，如M=3时在1.158GHz获得?=9的涡旋（图5）。有限元模拟预测该技术可支持?≥13的涡旋生成。

【Orthogonality analysis】研究建立了声学/光学OAM态的格拉姆矩阵分析体系。声涡旋态|Ψ(?_i)>展现出完美的正交性（图3e），而光学态|ψ(?_i)>在Δz_M/λ_o>0.15时才能形成准正交基，这为未来通过光学腔增强耦合效率提供了理论依据。

这项研究开创性地实现了三大突破：1）首次在GHz频段(最高7GHz)实现可调声学涡旋，频率较现有技术提升28倍；2）通过纯电学调控实现?=1-13的宽范围OAM编码；3）开发出芯片级集成方案，器件尺寸仅数十微米。该技术为光通信提供了新的OAM复用维度，在量子混合系统（如声激子极化激元）和微纳粒子操控（可产生10⁶g加速度）等领域展现出独特优势。未来通过优化BAWR设计（如指状电极结构）有望进一步提升涡旋纯度，推动拓扑声学与集成光子学的深度融合。