拓扑结构光作为拓扑学与传统光学相结合的产物，在通信、计算、量子信息处理等诸多应用领域中，已展现出许多新奇的特性与巨大的应用潜力。与此同时，具有空间非均匀偏振分布的结构光场由于其独特的光学特性，在超高分辨率光刻与图案化溶致发色液晶等研究方向受到了极大的关注。迄今为止，研究人员对三维偏振拓扑结构的理论研究已经有了很大的突破，但是在实验研究中进展有限，这主要是由于传统手段难以有效创建三维的偏振轮廓。仅有少数几种偏振拓扑结构被重构，却使用了体积庞大、成本高昂的复杂光学系统，限制了其实际应用。
近年来，新兴的光学超表面已经彻底地改变了传统光学的设计概念，在设计超薄、超轻、多功能光学器件等方面成果非凡。由于其在操纵振幅、相位、偏振以及亚波长尺度上的色散具备优异的性能，光学超表面为开发超薄、超轻、功能新颖的光学器件提供了一个全新的平台。最近，已有实验展示利用光学超表面操纵光场的振幅、相位与偏振，产生了三维偏振结构（Nano Lett. 2021, 21, 2081）。然而，该项工作仅对单一波长设计。多光谱的偏振操纵可增添更多的设计自由度，同时重构多种构型、多种颜色的三维偏振拓扑结构,可为新型光通信与量子信息处理提供全新技术。
鉴于此，英国赫瑞瓦特大学的陈献忠教授团队与香港大学的张霜教授合作，提出了重构颜色选择的三维偏振拓扑结构的新方案，实现了为偏振拓扑结构编码颜色的新功能。该工作以 “Color Selective Three-Dimensional Polarization Structures” 为题发表在《Light: Science & Applications》。
作者团队基于多焦点超透镜模型，设计可重构入射波长选择三维偏振拓扑结构的超透镜。该透镜可产生成千上万个焦点，并可对每个焦点的偏振矢量进行操控，预设每个焦点的位置与偏振旋转角，将这些焦点的轨迹连接便可达到重构三维偏振拓扑结构的效果。而通常超透镜仅针对单一工作波长设计，对于不同的入射波长其存在着色散，焦点的位置会随之改变。利用超透镜存在的固有色散，在多焦点超透镜的相位轮廓设计中，引进入射波长作为新自由度，当入射波长改变时，在同一焦平面上，可观察到不同颜色、不同构型的偏振拓扑结构。三维偏振拓扑结构的颜色选择机理如图1所示，在一种波长入射下，仅有一种偏振拓扑结构可在设定的观测区域内被重构。
在同一波长下，随着观察平面的连续变化，可实验观测到偏振拓扑结构二维截面的变化，有利地证明了在三维空间中拓扑结构的形成。改变起偏器与检偏器透光轴的方向，可观察到偏振拓扑结构上缺口位置的变化，间接证实了在拓扑结构上存在着不同的偏振轮廓，即在三维空间中形成了偏振拓扑结构。图2为同一焦平面上颜色选择的三维偏振拓扑结构及其偏振轮廓检测的实验结果。
为证明设计方法的灵活性，作者团队还展示了重构多种不同构型与不同偏振轮廓的三维偏振拓扑结构，以及同一超透镜同时重构5种三维偏振拓扑结构。此外，作者团队还将不同的颜色信息同时编码到同一空间构型的三维偏振拓扑结构中，如图3所示。这种将颜色和强度信息同时编码到三维偏振轮廓的能力有望实现“隐藏在三维彩色图像中的三维彩色图像”，可为发展新型光通信与量子信息处理技术提供全新思路。
该研究中偏振拓扑结构的颜色选择功能是基于独特的设计和超表面的色散效应相结合而实现的。在这项工作中，颜色选择功能中的最大波长数是三个，其可以通过减小传播方向上偏振结构的尺寸或使用由具有不同特征尺寸纳米结构组成的超表面来增加。此项工作在光学和其它基础科学中具有极大的应用价值。偏振拓扑结构中的颜色信息可以显著增加信息容量，可以执行传统光学无法完成的极具挑战性的任务。结合颜色信息操纵与三维偏振操纵，为偏振工程提供了更多的设计自由度，有望促进通信、虚拟现实、防伪、量子信息处理等诸多应用领域发展。
该研究成果以“Color Selective Three-Dimensional Polarization Structures”为题发表在《Light: Science & Applications》。英国赫瑞瓦特大学陈献忠教授与香港大学张霜教授为论文共同通讯作者，英国赫瑞瓦特大学博士研究生Yuttana Intaravanne为论文第一作者。
https://www.nature.com/articles/s41377-022-00961-y
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