近日，中科院上海微系统与信息技术研究所邓诗凯研究员团队与北京邮电大学刘玉敏教授团队合作，首次将“传播距离关联相位差”机制与自旋复用超表面深度融合，通过精确调控相位差，实现了沿传播路径动态演化的矢量光场生成，突破了光场调控中长期存在的动态生成瓶颈。该研究从理论框架、数值模拟到实验验证，系统地揭示了自旋态与空间相位演化之间的耦合关系，为新型矢量光场调控提供了通用平台。相关成果以“Generation of Vectorial Optical Fields with Polarization Variation along Propagation Paths via Dielectric Metasurfaces”为题，于2025年6月4日在国际顶级期刊Nano Letters在线发表。北京邮电大学博士研究生周鹏为论文第一作者，中科院上海微系统与信息技术研究所邓诗凯研究员为论文通讯作者。北京邮电大学陈蕾讲师对本研究做出重要贡献，其他主要合作者还包括中科院上海微系统与信息技术研究所助理研究员冀清霖、博士研究生温欣宇等。北京邮电大学刘玉敏教授、叶寒教授亦对研究有悉心指导。
沿传播路径定制具有偏振奇点的矢量光场推动了基础物理和光通信的发展。偏振是光的固有特性之一，是指电场的振荡方向，在光与物质相互作用中起着不可替代的作用。除均匀偏振态（例如线偏振和圆偏振）外，具有空间各向异性偏振分布的矢量光场又称为矢量光束在光捕获和光通信等领域展现出广泛的应用前景。尤其是具有纵向变化偏振的矢量光场在激光加工和光学操控的光束整形方面具有巨大的潜力，能够提供额外的自由度来增强信息传输能力。但传统方法依赖级联光学元件（如波片、螺旋相位板），导致系统笨重且难以集成；现有超表面方案虽能生成横向偏振分布，却无法实现纵向连续偏振调控（如从径向偏振到角向偏振的渐变）。当前亟需一种紧凑型方案，突破静态偏振分布的限制，满足复杂光场交互的动态需求。
针对这一挑战，中科院上海微系统所邓诗凯研究员与北京邮电大学刘玉敏教授，叶寒教授合作，在超表面关联传播距离与相位差Δφ，通过传播相位与几何相位协同调控正交圆偏振分量，实现偏振态沿传播路径的连续演化。其概念如图1所示，当线偏振光照射超表面，生成携带相反轨道角动量的涡旋光场，并通过线性叠加得到携带偏振奇点的矢量光场。
图1. 矢量光场沿传播路径偏振演化示意图。(a)单光束(b)双光束生成示意图。
图2. 自旋复用超表面的设计与制备。
通过数值仿真和实验测量，验证了该设计方案的可行性，如图3所示。研究团队进一步展示了沿传播轴具有偏振演变的双矢量光场生成。该方法为光-物质相互作用、复杂结构光生成及量子纠缠等应用开辟了新途径。
图3. 沿传播路径偏振演化矢量光场性能表征。
本研究提出并演示了自旋复用超表面，用于产生偏振分布沿传播路径连续变化的贝塞尔矢量光束。作为概念验证，该配置为集成化量子通信与光镊技术提供了广阔的应用前景。上述研究得到了中国国家自然科学基金、中央高校基本科研基金、信息光子学与光通信国家重点实验室基金等资助完成。
文章链接：
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c02048
