实现电磁波的全波前调控对于通信、成像和量子信息等领域具有重要意义，其关键在于实现连续的 2π 相位控制。相比传统光学器件，超表面能够在亚波长尺度上实现对电磁波相位、振幅和极化态的精确调控，因而为波前调控提供了全新的方法。然而，现有的几何相位（如 Pancharatnam-Berry 相位）虽然具有天然的宽带特性，但其作用仅限于交叉极化分量，需伴随入射波的极化翻转。同时PB相位设计器件的的效果也受限于其转极化的效率。另一方面，尽管共振相位不依赖自旋转换，适用于同极化输出，却存在带宽窄、设计复杂等问题。上述限制严重制约了高效、紧凑、宽带的同极化波前调控的实现。
为突破上述瓶颈，本研究提出了一种基于同极化透射的宽带几何相位设计策略。通过上下金属层结构间的局部扭转，在参数空间中构建支割线（Branch Cut）结构，连接在参数空间具有不同手性的透射相位奇点。在工作频段内，仅需通过结构扭转角在一个周期内的变化，即可对同极化透射实现连续的 2π 相位调控，并在保持高同极化透射的同时抑制交叉极化透射成分。基于这一同极化几何相位，研究团队在实验中成功实现了同圆极化的轨道角动量（OAM）光束的生成及其观测。该几何相位及其设计策略不仅为超表面相位调控机制的理论研究提供了新的视角，也为多功能、紧凑化的宽带光学器件的实现提供了新路径。
研究团队发现，在具有三重旋转（C3）对称性的三层结构中，仅需引入对不同层图案的一个扭转周期（120°扭转角），即可实现对同圆极化透射分量的近线性相位调控，完整覆盖2π范围。通过引入洛伦兹谐振子模型对透射谱进行拟合，本研究进一步在复频率平面中揭示了相位奇点与支割线的拓扑结构，并与参数空间的相应仿真结果高度一致。具体而言，设计的三层金属结构在高同极化透射的同时，通过扭转角的变化可实现完整的 2π 相位控制（图1）。理论分析表明，在 θ = 60° 时存在同极化透射为零的点，形成相位奇点，并且不同相位奇点且在参数空间和复频域中由支割线连接（图2）。进一步，选取 θ = 50° 与 70° 的样品进行实验测量，与理论仿真结果一致地验证了支割线的存在（图3）。在此基础上，研究团队设计了基于该机制的 OAM 波束发生器，并通过仿真与实验验证了其在不同阶数下的波束调控能力（图4 与图5）。
图1. 超表面结构示意图及其透射特性. (a, b) 三层金属结构的俯视图与三维结构示意图，展示不同扭转角（θ）下的单元结构。(c) 超表面对圆极化电磁波的作用机理示意：该结构仅允许同圆极化透射分量，有效抑制交叉极化成分。(d) 在特定频率下，结构实现了完整的 2π 相位覆盖，满足波前调控需求。
图2. 参数空间与复频域中的支割线结构。(a)-(c) 在不同ΔR值下，透射相位在参数空间中的分布，展示了相位奇点及其通过支割线连接的拓扑特征。(d)-(f) 不同扭转角度的透射谱，仿真结果与基于洛伦兹谐振子模型的理论拟合高度一致。(g)-(i) 理论模型所对应的复频率平面中，极点与零点之间由支割线连接，揭示了相位调控的本征机制。
图3. 实验验证与对比.(a) 远场测量实验设置示意图.(b) 实物样品照片.(c)-(d)仿真与实验效果对比。
图4. 宽带自旋保护轨道角动量波束的产生(a)样品设计示意图.(b)不同频率与拓扑荷的轨道角动量仿真结果。
图5. 角动量波束的实验测量(a)轨道角动量实验成像设置图. (b)-(c)用于生成不同拓扑荷的轨道角动量的结构样品照片.(d)-(e)不同频率与拓扑荷的轨道角动量的实验结果。
本项工作提出并实验验证了作用于同极化透射的几何相位及其宽频带器件的设计方法。其核心机制在于超表面的同极化透射奇点及其诱导的参数空间中的支割线结构。通过在超表面中引入局域扭转角，该方案在不改变入射电磁波圆极化态（即自旋角动量）的前提下，在较宽频率范围内实现了完整的2𝜋相位覆盖效果，并有效抑制了交叉极化输出。
研究团队通过理论分析与实验验证，揭示了参数空间中支割线的存在，并证实其在构建同极化几何相位中的关键作用。基于这一几何相位，成功设计并实验观测了携带不同拓扑荷的同圆极化的OAM 波束。此外，本研究进一步凸显了参数空间在超表面设计与分析中的关键作用，深化了对几何相位与相位奇点之间的关系的理解。值得一提的是，该方案不依赖特定的材料或几何参数，因而具备良好的通用性，可推广应用至更高频段，如太赫兹及红外波段。因此，本工作为超表面器件的设计提供了新的理论基础和技术路径，有望推动多功能、超紧凑光子器件的进一步发展。
本研究工作得到了国家自然科学基金、香港研究资助局、广东省科技厅、港科大—港科大（广州）跨校区协同科研计划等项目的资助。于九思同学特别感谢香港科技大学张若洋博士在本研究过程中提供的宝贵意见。
文章链接：
https://doi.org/10.1002/lpor.202402026
参考文献：
1.J. Yu, H. Li, S. Kang, D. Wang, P. Zhao, J. Fan, B. Qu, J. Li, X. Wu, Twist-Enabled Transmissive Metasurface with Co-Polarized Geometric Phase. Laser Photonics Rev 2025, e02026.
