作为一种新型结构光束，完美矢量涡旋光束打破了传统矢量涡旋光束的横向光束尺寸与携带的轨道角动量OAM（或拓扑荷数l）之间固有的正相关特性，可以沿着定制的空间强度分布控制光的偏振和相位分布，在光学捕获、光通信、光学信息安全、激光材料加工和量子信息处理等领域有着重要的应用前景。目前，对矢量涡旋光束特征结构的操控往往局限于二维空间，这严重制约其在相关应用中发展。例如，光学编码加密中维度/容量/安全阈值的同步优化，以及光学捕获中粒子的三维约束与运动控制。将矢量涡旋光束从二维空间扩展到三维空间，可以提供额外的空间控制维度和更高的信息容量，有望进一步推动相关科学和应用的发展。
尽管基于计算全息技术可以实现一些三维完美矢量涡旋光束的产生，但这种方法需要级联一系列体块式光学元件。例如，利用傅里叶变换透镜、空间光调制器和其他偏振光学元件在单独的空间通道中产生两个正交偏振的完美标量光学涡旋，然后通过光栅对它们进行同轴叠加实现完美矢量涡旋光束。这种方法的生成过程复杂，光路体积大，不易于实现高度集成的光学系统；多种光学元件级联会因未对准而产生光学像差，影响光束的产生质量。其次，上述产生方法往往需要振幅调控，降低了入射光的能量利用率。
为此，研究团队提出了一种基于单片超构表面光学器件生成任意三维完美矢量涡旋光束的方法，这种光束具备定制化的三维空间强度分布，且与携带的拓扑荷数或偏振级数无关（图1a）。利用复合相位调制方法，设计单片偏振复用超构表面器件提供两种不同的相位分布（图1b），其可以直接实现两个正交圆偏振的三维完美涡旋光束的同轴叠加，无需振幅调制以及其它额外的光学元件。超构表面器件的结构单元由一系列高度相同的碳化硅矩形纳米柱组成（图1c），它们具有较高的正交偏振转换效率并且能够覆盖0-2π的相位范围（图1d）。采用半导体工艺兼容的方法，制备了低损耗的碳化硅超构表面器件（图1e），实验产生了具有几乎相同空间轨迹但不同偏振分布的两种三维矢量涡旋光束（图2），从而验证了这种光束的“完美”特性。
图1 产生任意三维完美矢量涡旋光束（3D PVVBs）的超构表面设计原理
图2 具有定制强度轨迹的三维完美矢量涡旋光束的实验表征结果
此外，利用三维完美矢量涡旋光束的多个自由度，通过单片超构表面器件生成了一系列三维完美矢量涡旋光束并用于信息编码，展示了一种增强安全性的信息加密方案（图3），可用于光学防伪领域。
图3基于超构表面的三维完美矢量涡旋光束阵列用于信息编码和光学二维码图像加密的设计原理与实验演示
该研究成果以“Monolithic silicon carbide metasurfaces for engineering arbitrary 3D perfect vector vortex beams”为题发表在《自然通讯》 [Nature Communications 16, 3994 (2025)]期刊上。南京大学现代工程与应用科学学院博士后刘明泽和博士研究生林沛城为论文的共同第一作者，霍鹏程副研究员、陆延青教授和徐挺教授为论文的共同通讯作者。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中国博士后科学基金和江苏省卓越博士后计划的资助，也得到了南京大学固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、智能光传感与调控教育部重点实验室的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-59234-y
