导读
近日，华中科技大学武汉光电国家研究中心陈林课题组与南开大学陈树琪课题组合作，在超表面艾里光束发生器的研究中取得进展。该工作将能够同时调制振幅和相位的惠更斯超表面应用于艾里光产生，实现了高效地产生振幅与相位同时调制的艾里光束。研究成果以“High-Efficiency Generation of Airy Beams with Huygens' Metasurface”为题发表在期刊《Physical Review Applied》上。
艾里光束是一种无衍射光束，具有自弯曲、自愈合、无衍射等极具吸引力的特性，在光学显微操作、“光子弹”、曲线等离通道的产生等许多应用上具有广泛的前景。近年来，许多基于单层等离/电介质超表面的艾里光束发生器被研究人员提出且证实，相比利用空间光调制器和傅里叶透镜组成复杂光路产生艾里光束的传统方法，具有结构紧凑、易于集成的优势。但是，目前已提出的基于单层超表面的艾里光束发生器，要么受制于超表面单元的低透射效率，无法高效地产生艾里光束；要么在提供相位调制的同时缺乏振幅调制，使得艾里光束质量下降，无衍射传播距离变短。
惠更斯超表面在入射电磁波的激励下，可以产生一对正交的电、磁偶极子，通过同时提供电、磁响应，精确地控制散射场。研究团队利用由电容和成对的双开口环共振器，构造了等效电导纳与磁阻抗可独立调节的惠更斯超原子，实现了对电磁波透射振幅（接近0-100%）和透射相位（0-2π）的控制。通过空间排列惠更斯超原子来同时调制散射电磁波的相位和振幅的空间分布，构建了基于惠更斯超表面的艾里光束产生装置，验证了空间艾里光束的高效产生。这一应用也为需要振幅、相位同时调制的复杂光场的产生提供了一种可行的方案。
图1 惠更斯超表面及其工作原理示意图
(a)表面元S将任意场分隔为两个区域，表面元处产生虚拟电、磁流。
(b)超原子结构示意图。
(c)超原子上层结构（双开口环）及传导电流。
(d)超原子中层结构（电容）及位移电流。
(e)超原子下层结构（双开口环）及传导电流。
图2 忽略损耗时，惠更斯超原子的透射振幅(a)和透射相位(b)随等效电导纳和磁阻抗的变化。
图3 两组在13.8GHz频率工作的惠更斯超原子。
(a,b)两组超原子的透射相位相差为π。
(c,d)两组超原子的透射振幅分别实现接近0-1的变化范围。
图4 实验验证惠更斯超表面艾里光束发生器。
(a,b) 理想艾里波包和惠更斯超表面沿x方向透射率分布。
(c-h) 解析法得到的理想出射光场(c,d)，和仿真(e,f)、实验(g,h)得到的惠更斯超表面出射光场。
(i) 器件局部照片。
(j,k) 实验装置示意图与照片。
文章链接
https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.11.054012
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两江科技评论编辑部
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