Advanced Materials: 电介质超构表面结构实现具有任意振幅、相位和偏振态分布的完美矢量涡旋光束- 大数跨境

Advanced Materials: 电介质超构表面结构实现具有任意振幅、相位和偏振态分布的完美矢量涡旋光束

两江科技评论

2019-12-31

导读：近日，中山大学包燕军研究员和新加坡国立大学仇成伟教授等研究者们利用单层的电介质超构表面结构，实现了任意相位和偏振态分布的，且强度的环行大小不依赖于拓扑荷变化的完美矢量涡旋光束。

导读

近日，来自中山大学和新加坡国立大学的研究人员利用单层的电介质超构表面结构，实现了任意相位和偏振态分布的，且强度的环行大小不依赖于拓扑荷变化的完美矢量涡旋光束。相关研究成果以 “A Minimalist Single-layer Metasurface for Arbitrary and Full Controls of Vector Vortex Beams”为题发表在Advanced Materials上。中山大学包燕军研究员是该论文的第一作者和通讯作者，新加坡国立大学仇成伟教授为该论文的共同通讯作者。

研究背景

矢量涡旋光束是一种既具有矢量光束特性（具有空间变化的偏振态），又具有涡旋光束特性（具有螺旋相位波前的轨道角动量）的特殊光束，在粒子操控，光信息传输，高分辨成像方面有着广泛的应用。然而，由于其涡旋的特性，其强度分布的环行尺寸大小会随着涡旋的拓扑荷变化而变化。当多个具有不同拓扑荷的涡旋光束共同传输时，其光场强度会坍塌，限制了其应用。最近，人们提出了完美矢量涡旋光束的概念，其强度的环行尺寸不随拓扑荷变化而变化，从而解决如上问题带来的困难。传统的完美矢量涡旋光束产生方式需要多个光学器件共同作用，结构复杂，难以小型集成化。

超构表面结构是人工设计的具有亚波长厚度的单层结构，能够灵活的控制光的振幅，相位和偏振。利用超构表面结构产生涡旋光束极大的降低了器件的尺寸，从而将器件的小型集成化提升到一个新的高度(C.W. Qiu, et.al, Science, 2017, 357,645)。然而目前基于超构表面结构得到的矢量涡旋光束仍然具有局限性，一般只能产生特定偏振态的光束，如线偏振态或圆偏振态。不仅未能实现任意相位和偏振分布的矢量涡旋光束，更何谈产生完美的矢量涡旋光束。

创新研究

对于任一完美矢量涡旋光束，其包含了确切的振幅，相位和偏振分布。根据衍射光学理论，单层的超构表面结构要产生这种光束，其本身的振幅，相位和偏振态三者需独立且任意可调。为实现这一目的，研究人员基于他们之前提出的相干像素概念（Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1805306；Light: Sci. Appl. 2019, 8, 95），设计了一种由两个单晶硅纳米棒组成的单元结构，在斜入射下，该单元像素中共包含了4个可调几何参数，分别为两个纳米棒的转角和位置坐标。对于任意给定的散射态, (其中A代表振幅，d 代表相位，代表任意偏振态)，其构造方程中包含了2个复数方程（分别为x和y方向偏振），即4个实数方程。此时构造的单元像素中的4个几何参数正好可解（通过遗传算法等数值方法），从而可实现对任意振幅，相位和偏振态的独立调控(图1)。基于这一结构，他们实验验证了具有任意相位（不同拓扑荷）和偏振态分布（任意椭圆偏振）的，且其强度环行大小不随拓扑荷变化的完美矢量涡旋光束（图3和图4）。特别有趣的是，即使考虑垂直入射，虽然相干像素中只包含了2个可调几何参数，却正好可以满足对振幅和相位的独立调控，从而实现完美涡旋光束的产生（图2）。本研究提出了这一终极光参数调控方法将为复杂光场调控，新型平面光学器件设计提供新的解决思路和方案。

图文速览

图1.(a)从矢量涡旋光束到完美矢量涡旋光束产生的过程。左侧展示了在hybrid-order庞加莱球上的任意矢量涡旋光束，具有不同的相位和偏振分布，其环行大小尺寸一般随拓扑荷变化而变化。通过加入振幅限制，得到不依赖于拓扑荷变化而变化的完美矢量涡旋光束。(b-c)包含双个单晶硅纳米棒的相干像素示意图。在斜入射下，包含了4个可调几何参数，从而可以实现任意振幅，相位和偏振态的产生。(d)对于任意给定散射态(A, d, a ,b)，遗产算法求解几何参数示意图。(e)扫描电镜图和局部放大图。

图2.(a)垂直入射下的相干像素示意图，可以实现振幅和相位的独立调控。(b)垂直和斜视角下的扫描电镜图 (c-f)不同拓扑荷下的完美涡旋光束和普通的涡旋光束对比。对于完美矢量涡旋光束，其环行尺寸不随拓扑荷变化而变化，而普通的涡旋光束，其环行尺寸随着拓扑荷增大而增大。

图3.(a)拓扑荷为0，Hybrid-order庞加莱球坐标为(q, j₀) =(p/2, 0)的完美矢量涡旋光束产生。该坐标下的偏振态为线偏振态。第一列：计算得到的强度和偏振态分布，红色箭头表示偏振态。第二列：测量得到的强度分布。第三、四列：在x偏振和y偏振选择下的强度分布图。第五列：通过stokes参数测量得到的偏振态分布(b)拓扑荷为0，Hybrid-order庞加莱球坐标为(q, j₀) =(p/3, 2p/3)的完美矢量涡旋光束产生。该坐标下的偏振态为椭圆偏振态,各列含义与(a)相同。

图4.(a) Hybrid-order庞加莱球坐标为(q, j₀) =(p/2, 0)时的完美矢量涡旋光束随拓扑荷依赖关系。该坐标下的偏振态为线偏振态。第一列：计算得到的强度和偏振态分布，红色箭头表示偏振态。第二列：计算得到的相位分布图。第三列：测量得到的强度分布。第四、五列：在x偏振和y偏振选择下的强度分布图。第六列：通过stokes参数测量得到的偏振态分布(b) Hybrid-order庞加莱球坐标为(q, j₀) =(p/3, 2p/3)时的完美矢量涡旋光束随拓扑荷依赖关系。该坐标下的偏振态为椭圆偏振态,各列含义与(a)相同。