近日，复旦大学周磊教授与孙树林教授团队提出了一种基于片上复合超构表面实现纵向偏振演化矢量光束的新方法，为片上集成光学器件的光场调控赋予了更为强大的能力和新颖的思路。相关研究成果以 “Vectorial Beams With Longitudinally Varying Polarizations Generated by Surface-Wave Metasurfaces” 为题，近日发表在国际著名期刊 Laser & Photonics Reviews 上。该论文由复旦大学信息科学与工程学院博士生金相宇、刘沐涵为论文的共同第一作者，复旦大学信息学院光科学与工程系孙树林教授、物理学系周磊教授、光电研究院王卓青年副研究员为论文的共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、上海市自然科学基金、中国博士后科学基金的资助。
近年来，随着纳米科技的突破性发展，光学器件正加速向着片上化、小型化和多功能化方向迈进，特别是片上集成光子器件尤其引人关注。这类器件是由微纳尺度光控元件集成而成，实现对二维界面或波导结构中近场光的精准调控，包括表面等离激元模式和波导模式。得益于其光场具有高局域、亚波长等特点，该体系为纳米尺度下的光传输与调控提供了理想平台。这种以近场光为信息传播载体的信息片上光学器件，天然具备小体积、多功能、高集成等优势，在下一代光子集成系统中展现出巨大应用潜力。然而，在集成光学领域，如何将自由空间光高效率与片上集成光学系统实现双向耦合，始终是制约微纳光学领域的基础性挑战。为此，本团队曾提出利用超构表面高效率将空间波耦合成表面波，并且实现与片上光学体系的高效耦合【参见：Nature Materials 11, 426 (2012)，Advanced Science 7, 2000982 (2020)，Nano Lett. 23, 3326–3333 (2023)】外，如何将表面波高效率解耦合为远场光，并同步实现电磁波前和偏振态分布的任意调控，仍然是尚未解决的科学问题，突破该瓶颈将在全息显示、信息加密、光学传感、AR/VR等领域具有重要的科学价值和应用前景。
人们曾提出多种方法来解耦合片上光学模式的能量。早期，人们通过布拉格衍射光栅来进行片上近场光能量的辐射调控，然而其结构的晶格常数往往在波长量级，因此会存在多模式、像素少、效率低等问题。近年来，研究者陆续提出了基于超构表面来实现对片上光学模式的远场辐射调控，但其大部分研究工作往往集中于对均匀偏振下对辐射光场的波前分布进行调控研究，忽略了其辐射场在空间上具有非均匀偏振分布的矢量特性。
图1 基于片上超构表面实现偏振态纵向演化矢量光场效果示意图
基本理论与设计方法
最近，研究人员提出了一种用于设计片上光学器件的普适方法，它们能够在表面波激励下生成预先设计的具有纵向偏振态分布的复杂波前矢量光束（如图1），并在微波段进行了实验验证。首先，研究人员引入了一种两排复合式人工单元设计，通过利用奇偶交叉排布的超构原子分别将表面波解耦合为左旋圆偏振(LCP)和右旋圆偏振(RCP)分量，并通过调控两者辐射场干涉时的相位差，可以实现任意线偏振态的远场辐射。在表面波激励下，其奇偶排超构表面分别负责产生LCP与RCP的光场分布的超表面相位分布
可设计如下：
其中，
表示为LCP与RCP实现特定波前调控功能的相位分布，
表示为表面波在传输方向上的相位延迟，
为预设的两个交叉偏振态辐射场之间的相位差。因此，通过改变以上参数，原则上可以实现具有任意波前和任意线偏振态的光场分布。
更有趣的是，通过调控对应交叉偏振单元的圆偏振转换率(PCR)可以改变其对应辐射场的强度, 进而实现具有任意偏振态分布的辐射光场。最后，为了实现纵向演化的矢量结构光束，需要调控两个交叉偏折态沿传播路径上的波矢
分布，因此其
在设计时需单独设计其传播波矢大小，而对于具有多支
分布的结构光场还需基于角谱衍射加以修正，如图2所示。最终，研究人员实现了表面波向任意矢量偏振特性的辐射光场转化，并通过实验验证了其在表面波激励下可生成具有纵向变化偏振的矢量贝塞尔波束。
图2 片上超构表面实现偏振态纵向演化的原理设计。(a) 片上复合超构表面解耦合交叉偏折态辐射光场示意图。(b) 相位设计。(c-e) 纵向偏振演化的矢量结构光场原理图。
实验表征
首先，为了初步验证片上复合超构表面具有同时对辐射场偏振态及波前的自由灵活调控能力，研究人员通过改变LCP和RCP辐射时的相位差大小及相位分布，实现了具有交叉偏振态的平面波出射(参见论文原文)以及级联式的贝塞尔光束的出射，如图3所示。值得一提的是，为了降低其表面波在传输过程中的衰减程度以及保证波前的均匀性，研究人员选择了PCR相对较低的单元结构，具体的结构参数见论文原文。
图3 片上超构表面实现级联式交叉偏振态Bessel光场。(a) 示意图。(b) Bessel辐射光场仿真、实验、计算结果对照。(c-e) 基于片上超构表面MS1实现具有x线偏振态的Bessel Beam。(f-h) 基于片上超构表面MS2实现具有Y线偏振态的Bessel Beam。
最后，研究人员通过调控具有交叉偏振态的Bessel Beam在传播方向上的波矢
大小，实现了纵向偏振演化的矢量贝塞尔波束，其仿真与实验结果如图4和图5所示。
图4 片上超构表面实现偏振态纵向演化的结构光场。(a) 示意图。(b) 部分相位部分及样品照片。(c-f) YOZ面|Ex|2与|Ey|2实验与模拟场分布。
图5 片上超构表面实现偏振态纵向演化的结构光场。(a) YOZ面|E|2场分布。(b-c) XOY面模拟及实验在不同高度位置处的偏振态分布。
本研究提出了一种基于复合人工微结构组成的片上超构表面，实现了将片上近场光解耦合产生偏振态纵向演化远场矢量光场。首先，研究人员验证了通过调控片上辐射光场交叉偏振分量的强度及相位差，改变其干涉后的偏振态分布。随后，研究人员进一步调控交叉偏振分量沿纵向方向的波矢大小，引起传播方向上的相位差变化，从而实现纵向偏振演化的矢量光场。此外，通过改变交叉偏振分量在同一光场横截面上的波矢分布，基于角谱衍射理论反推出所需的超构表面设计，还可以实现更复杂矢量光场的功能调控。目前，研究人员正致力于将该理论扩展至更高频段，拓展其应用的范围。该工作结合了超构表面在近场调控方面的强大能力并可以与片上光学器件系统进行集成，为集成光路、信息加密、全息成像、AR/VR等领域提供了广阔的应用前景。
论文信息：Xiangyu Jin#, Zhuo Wang#，*, Muhan Liu#, Jianru Li, Zhiyan Zhu, Yingying Wang, Liangwei Li, YizhenChen, Weikang Pan, Shaojie Ma, Qiong He, Lei Zhou*, Shulin Sun*, Vectorial Beams With Longitudinally Varying Polarizations Generated by Surface-Wave Metasurfaces, Laser & Photonics Reviews 2402298 (2025).
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202402298
供稿：课题组
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