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

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,其强度分布的环形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,其强度的环形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(任意椭圆偏振态)的矢量涡旋光束,更何谈产生完美的矢量涡旋光束。

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,中山大学包燕军研究员和新加坡国立大学仇成伟教授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, Aeid|ab> (其中A代表振幅,δ 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xy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),从而首次利用最简单的单层结构实现了对任意振幅,相位和偏振态的完全独立调控。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,且其强度环形大小不随拓扑荷变化的完美矢量涡旋光束。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两个可调几何参数,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。

本研究提出了这一对光的振幅,相位和偏振任意且完全独立调控的方法不仅可以产生完美矢量涡旋光束,还可以用于更加复杂光场调控,如产生矢量全息图,矢量涡旋光束阵列等等,并为未来新型平面光学器件设计提供新的解决思路和方案。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 (doi: 10.1002/adma.201905659)上。