超表面實現(xiàn)復雜矢量渦旋光束的研究進展

2023-11-13 13:15:56章思夢李晨霞井緒峰

光電工程 2023年8期

柯嵐，章思夢，李晨霞，洪治，井緒峰*

1 中國計量大學光學與電子科技學院，浙江杭州 310018；

2 中國計量大學太赫茲技術(shù)研究所，浙江杭州 310018

1 引言

超表面(Metasurface)是由微納結(jié)構(gòu)排列而成的二維器件[1]，是超材料的平面化[2-4]，可以通過精確的調(diào)控結(jié)構(gòu)來控制光的傳播和相位[5-7]。相比于傳統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)，超表面具有體積更小、制備更容易、控制更精準的優(yōu)勢[8-11]。它通常為亞波長結(jié)構(gòu)，可以廣泛應用于光電子學、量子光學、光子學等領(lǐng)域[12-13]。超表面不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高效的折射、反射和透射，還可以實現(xiàn)精確的相位調(diào)控、拓寬波束角度等功能[14-17]。此外，超表面還可以有效地抑制雜散光的干擾，實現(xiàn)更高質(zhì)量的光學成像和傳輸[18-21]。最近，超表面已經(jīng)被廣泛應用于多種光學器件的設(shè)計制備，如透鏡[22]、偏振器[23]、色散器[24]、光學互聯(lián)器[25]、光學傳感器[26]等，推動了光學技術(shù)的快速發(fā)展[27]。

超表面實現(xiàn)電磁波波前調(diào)控的主要原理大致可以分為傳輸相位型、幾何相位型和共振相位型[28-30]，這里主要介紹傳輸相位型與幾何相位型超表面。傳輸相位型超表面主要利用電磁波在傳播過程中累積的相位差來實現(xiàn)相位調(diào)控的，傳統(tǒng)的傳輸相位光學器件大多采用曲面結(jié)構(gòu)，使器件厚度隨空間變化對電磁波進行調(diào)制[31]。二元光學器件雖然將器件厚度離散化，但仍然至少存在兩種厚度，這兩種方式都會使得器件外形非平面，不利于集成和共形設(shè)計[32]。超表面可以通過調(diào)節(jié)每個單元的尺寸，而非厚度，來改變賦予入射光束的傳輸相位。這使得超表面能夠在保證功能實現(xiàn)的同時保持平面特性。同時，傳輸相位的累積與材料折射率息息相關(guān)，提高等效折射率可以有效減少超表面的厚度[33]。幾何相位型超表面利用電磁波在偏振態(tài)轉(zhuǎn)化過程中不同的幾何路徑差，超表面設(shè)計中的幾何相位大多以Pancharatnam-Berry (PB)相位原理為基礎(chǔ)[12]，即使用圓偏振光垂直入射時，旋轉(zhuǎn)單元結(jié)構(gòu)角度為ɑ(逆時針旋轉(zhuǎn))，當其經(jīng)過各向異性的介質(zhì)就會產(chǎn)生偏振變化，其交叉極化部分會攜帶一個exp (2iɑ)的額外相位因子。所以，幾何相位由于其存在共同的發(fā)現(xiàn)者，也被稱為Pancharatnam-Berry (PB)相位。根據(jù)這個原理，當一束光發(fā)生偏振變換時，會產(chǎn)生一個額外的相位差，該相位差就是所謂的PB 相位。這個額外的相位差是由于不同偏振狀態(tài)下不同的相位差異造成的，并且與光程差無關(guān)。

對傳輸相位和幾何相位理論的運用可以對入射電磁波的相位進行精確且靈活的調(diào)制，為波前賦予靈活的相位分布，這就確保了我們可以將超表面與矢量光束的生成結(jié)合起來[34-38]。矢量光場是指同一時間在同一波振動面上的不同位置具有不同偏振態(tài)的光場，在空間分布上具有非均勻偏振態(tài)分布。與標量光場不同，其光束橫截面上的偏振態(tài)會隨空間位置變化而變化[39-41]。除了在局部區(qū)域內(nèi)包含線偏振，矢量光場還可以包含圓偏振和橢圓偏振，基本光束的偏振度變化使得矢量光場的描述更加復雜[42-44]。除偏振特性外，螺旋相位的引入會為矢量光束帶來更多復雜且有趣的特性，對于具有不同偏振態(tài)與相位分布的矢量光束，研究者們一般選擇改良龐加萊球來對其進行表征[45-46]。傳統(tǒng)光學生成矢量光束的方式光路較為復雜，并且需要較多的光學元件。將矢量光場與超表面進行結(jié)合，利用超表面小型化、易于集成的優(yōu)點方便靈活地生成具有不同特性的矢量光束，基于傳輸相位、幾何相位以及二者的結(jié)合，在不同頻段，不同功能上選擇合適的材料進行構(gòu)建[15]。由于矢量光場擁有復雜且大量的類型，無法以此來分類，因此本文主要從材料角度出發(fā)，探討介質(zhì)型超表面、金屬型超表面以及智能超表面在生成不同矢量光場模式上的發(fā)展，全介質(zhì)超表面的構(gòu)成材料全部都是電介質(zhì)材料，金屬超表面可以是純金屬，或是金屬與介質(zhì)的組合，智能超表面則是在金屬與介質(zhì)超表面的基礎(chǔ)上集成可調(diào)的電子元器件或者介電材料[36,47]，這三種超表面設(shè)計思路接近且各有優(yōu)勢，可以根據(jù)設(shè)計需求選擇。

2 全介質(zhì)超表面生成渦旋光束

全介質(zhì)超表面是指使用介質(zhì)材料構(gòu)成的超表面結(jié)構(gòu)，常常使用壓電材料、各向異性材料等構(gòu)成[48-49]。金屬型超表面在高頻段會存在較大的吸收損耗，而介質(zhì)型超表面可以通過選擇低損耗的材料來降低能量損耗，提高能量利用率[50-52]。同樣地，介質(zhì)超表面可以在不涉及厚度調(diào)節(jié)的情況下，通過調(diào)節(jié)亞波長結(jié)構(gòu)的幾何尺寸與旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)對光束的調(diào)控，例如可用于實現(xiàn)偏振轉(zhuǎn)換、波的操控、光的分離與聚焦、光子集成等功能，廣泛應用于光通信、光電子學、光學成像、傳感器等領(lǐng)域[38,53-55]。

首先是利用全介質(zhì)超表面進行標量渦旋光束生成的研究，渦旋光束具有的特殊性質(zhì)可以在光學與量子光學等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。渦旋光束的相位呈現(xiàn)螺旋形分布特征，與自然界中的漩渦類似，渦旋相位在中心處的相位奇點由于自身的干涉相消特性，光強趨于零點，因此在場強分布上表現(xiàn)為中心強度為零的空心環(huán)狀分布。渦旋光束中的每個光子都會攜帶有軌道角動量(orbit angular momentum,OAM)，其值為，其中l(wèi)為拓撲荷數(shù)，是一種量子數(shù)，用于描述光束中渦旋的數(shù)量和方向，理論上可以是任意值；則是約化普朗克常量。渦旋光束具有的每種拓撲荷l都對應一種獨立的模場狀態(tài)，且每種狀態(tài)各自正交，互不干擾，因此渦旋光束可以廣泛應用于微粒操控、顯微成像、光學測量、量子信息處理、光通信等領(lǐng)域[2,56-59]。

由于渦旋光束已經(jīng)被廣泛應用，目前人們的注意力更為集中在如何高效地制造它們。之前利用超表面生成OAM 光束的探究受限于使用幾何相位和拓撲光子學時的基本對稱性限制，無法自由的控制生成渦旋光束的手性、自選角動量和軌道角動量[60-62]。早在2017 年Li 等人就創(chuàng)造性地總結(jié)了超表面的不同調(diào)控方式，包括不同OAM 光束的產(chǎn)生，以及Zhang 等人提出的利用全介質(zhì)超表面生成OAM 光束[63-64]。2020年Hend Sroor 等人提出了一種全介質(zhì)超表面[65]，能夠打破自旋和軌道狀態(tài)的對稱性，利用超表面的特性將具有復雜拓撲荷OAM 光束的生成功能進行片上集成，如圖1(a)所示，從激光源實現(xiàn)任意角動量控制。在這里，這篇文章提出的全介質(zhì)超表面克服了這一限制，在前人的基礎(chǔ)上提出了新的設(shè)計方案。這種超表面能夠產(chǎn)生任意所需的手性光狀態(tài)，包含非對稱拓撲荷的OAM 值，更加自由地實現(xiàn)超手性光的生成。激光器腔內(nèi)由非線性晶體(KTP)、偏振轉(zhuǎn)換器(Pol)、超表面(J-plate)以及耦合器(OC)構(gòu)成，并由紅外泵浦源激發(fā)。該論文涉及超表面的工作波長為532 nm。構(gòu)成超表面的單元結(jié)構(gòu)是正方形熔融石英襯底上的非晶TiO2納米柱，如圖1(b)所示。將入射光束分解為一對正交線偏振分量(水平和垂直分量)的疊加，納米柱的高度為600 nm，通過調(diào)節(jié)柱的長軸Wx和短軸Wy的大小，為入射光束的正交極化分量分別施加不同的相位延遲δx和δy，從而調(diào)控整體出射光束的偏振與相位特性。

圖1 一種基于TiO2 納米柱的全介質(zhì)超表面生成超手性高拓撲荷渦旋光束[65]。(a) 基于超表面轉(zhuǎn)化的激光泵浦源及各部件示意圖；(b) 超表面中心部位示意圖與單元結(jié)構(gòu)參數(shù)；(c)生成拓撲荷l1=10 與l2=100 渦旋光束超表面的光學顯微鏡照片；(d)旋轉(zhuǎn)超表面實現(xiàn)不同拓撲荷光束生成與疊加電場強度示意圖；(e)顯示不同激光測量狀態(tài)的廣義OAM 球Fig.1 A dielectric metasurface based on TiO2 nanorods[65].(a) Schematic diagram of laser pumping source and components based on metasurface conversion;(b) Schematic diagram of the central part and unit structural parameters of the metasurface;(c) Optical microscope images of the generated metasurfaces with topological charge l1=10 and l2=100;(d) Schematic diagram of generating and superimposing electric field intensities of beams with different topological charges by rotating the metasurface;(e) Generalized OAM spheres displaying different laser measurement states

之前已經(jīng)有許多研究提出使用幾何相位(PB 相位)為圓偏振光賦予OAM，這種調(diào)制方式的實現(xiàn)原理不依賴于結(jié)構(gòu)的尺寸變化，而是基于圓偏振光與具有各向異性的結(jié)構(gòu)相互作用。利用單元本身的旋轉(zhuǎn)為正交偏振賦予新的相位因子，大小為單元旋轉(zhuǎn)角度的兩倍，并且具有自旋相關(guān)特性[66-70]。近年來，人們發(fā)現(xiàn)高階旋轉(zhuǎn)對稱單元中可以產(chǎn)生高階的廣義幾何相位[71]。利用這種調(diào)制方式的超表面器件會轉(zhuǎn)換入射圓偏振光的自旋角動量為OAM，反轉(zhuǎn)極化手性特征，入射光的自旋角動量被轉(zhuǎn)化為軌道角動量，其l總是保持一致，不能自由調(diào)控。Hend Sroor 等人將幾何相位與傳輸相位相結(jié)合。傳輸相位通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)尺寸進行調(diào)控，相位累積與自旋無關(guān)，并且在設(shè)計時調(diào)控的參數(shù)獨立于PB 相位理論。因此，可以為入射光的任意兩個正交偏振態(tài)賦予不同l值的軌道角動量，打破固有的手性限制，使得超表面生成渦旋光束的通用性與實用性大大增加。圖1(c)所展示的超表面能夠?qū)⑺胶痛怪逼窆夥謩e轉(zhuǎn)化為OAM 拓撲荷l1=10 與l2=100 的渦旋光束，不僅具有超手性，也能高效地實現(xiàn)高拓撲荷光束生成。超表面的手性特征在渦旋光方面的體現(xiàn)是在正交圓極化光束入射時的自旋耦合特性。即單純基于PB 相位理論設(shè)計的超表面在左旋圓極化光入射時產(chǎn)生的渦旋光拓撲荷數(shù)，會和右旋圓極化入射產(chǎn)生的渦旋光拓撲荷數(shù)互為共軛。而超手性是指在正交圓極化光入射時，突破原有的手性限制，產(chǎn)生非共軛的一對拓撲荷，實現(xiàn)自旋解耦的特性。圖1(d)為生成任意矢量疊加狀態(tài)的相干混合渦旋光，生成傳統(tǒng)共軛OAM 光束的超表面在旋轉(zhuǎn)過程中的光強保持不變，始終為環(huán)形強度分布，拓撲荷數(shù)由正轉(zhuǎn)負。而非對稱OAM 模式的光束在超表面旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生了矢量疊加，該超表面能夠生成的拓撲荷值為l1=1 與l2=5，光強呈現(xiàn)5 個中心渦旋。在對拓撲荷差值不大的情況進行研究后，他們還對極端非對稱情況進行了探究，在拓撲荷差值高達90 的情況下對超表面進行旋轉(zhuǎn)，得到的結(jié)果如圖1(e)所示。在這個廣義龐加萊球中，北極為l1=10 的OAM，南極為l2=100 的OAM，其他情況為從北極至南極的變化，光強由小空心環(huán)逐漸變?yōu)殡p空心環(huán)，再到大空心環(huán)，這可以理解為每一種OAM 模式都在發(fā)光，但在超表面之后占據(jù)不同的空間。這種超表面的提出將OAM 激光器與片上器件研究相結(jié)合，為從光源處自由控制角動量提供了新的路線。

盡管渦旋光束的應用廣泛，但是其環(huán)形光強分布與拓撲荷數(shù)密切相關(guān)。隨著拓撲荷數(shù)的增加，光環(huán)半徑產(chǎn)生變化，渦旋光束中心相位奇點處偏振態(tài)不穩(wěn)定，強度分布崩潰，使得不同模式的渦旋光束分布不能保持一致，同時多模態(tài)復合傳輸與整體光束的半徑受到約束[72-75]。多個OAM 耦合到單個光纖中進行多模態(tài)傳輸、高拓撲荷光束無法匹配光纖半徑等，都是渦旋光束應用受到的限制。為解決這些問題，完美渦旋光束(PVBs)應運而生，其環(huán)半徑恒定，不再受拓撲荷數(shù)變化的影響[76-78]。此外，進一步的研究提出了完美矢量渦旋光束(PVVBs)，為渦旋光束的應用開拓了更加廣闊的前景。矢量渦旋光束(Vector vortex beam)是在渦旋光束的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展出來的新型光束類型，除了渦旋相位的存在，矢量渦旋光束還具有不同偏振分布，包含圓偏振、線偏振和橢圓偏振[79-82]。相比于單一的渦旋光束，矢量渦旋光束具有更加復雜的光場分布和波前結(jié)構(gòu)，在光學顯微成像、光學加工和量子信息等領(lǐng)域具有重要應用。此外，矢量渦旋光束還可以被視為光學中的自旋光束，與電子自旋和原子自旋有類似之處，因此在光學理論研究和量子光學等領(lǐng)域也有著廣泛的研究興趣。不同于簡單的渦旋光束只能描述空間旋轉(zhuǎn)對稱性的光學現(xiàn)象，矢量渦旋光束更加復雜的波前結(jié)構(gòu)不僅包含了空間旋轉(zhuǎn)對稱性，還包含了渦旋角動量所代表的自旋量子數(shù)，具有更加多樣的光學性質(zhì)和應用前景[7,83-85]。2020 年，Bao 等人設(shè)計了一種單層全介質(zhì)超表面，用獨特的單元設(shè)計對控制光束偏振與相位的靈活度進行了研究，能夠在圓極化光法向入射時實現(xiàn)完美渦旋光束的生成，在線性偏振斜入射的情況生成完美矢量渦旋光束，為產(chǎn)生更加復雜的渦流場提供了更多的可能[61]。

Bao 等人指出，不同矢量渦旋光束(VVB)的產(chǎn)生可以看作是由兩個正交圓偏振渦旋的線性組合，即:

Rm和Ln分別為具有m和n階拓撲荷的渦旋光，ex和ey為笛卡爾坐標系兩軸正交單位向量，(θ,φ0)為龐加萊球上球面坐標，引入l0=(m-n)/2為偏振階，lp=(m+n)/2為拓撲荷，用于描述如圖2(a)所示龐加萊球上赤道處線偏振矢量渦旋光束的特性，并將其引申至任意極化狀態(tài)?？梢钥吹?，傳統(tǒng)渦旋光束在球面上的變化會帶來光強環(huán)半徑的改變，而完美矢量渦旋光束的光強環(huán)帶在任意模態(tài)下都保持一致。

圖2 基于雙晶體柱單元的全介質(zhì)超表面生成具有不同偏振矢量特性的渦旋光束[61]。(a)傳統(tǒng)矢量渦旋光束與完美渦旋矢量光束的龐加萊球表示,包含不同球坐標理論強度分布與偏振態(tài)分布示意圖。(b)雙硅晶體柱單元結(jié)構(gòu)示意圖與斜入射實現(xiàn)入射波波前相位、振幅與偏振態(tài)調(diào)制示意圖。(c) (θ,φ0)=(π/2,0),lp=0 時不同l0 的理論強度分布,偏振態(tài)分布以及實驗測得的強度分布和偏振分布,包含經(jīng)過正交偏振片后的強度。(d) (θ,φ0)=(π/3,2π/3),lp=0 時不同l0 的理論強度分布,偏振態(tài)分布以及實驗測得強度分布和偏振分布,包含經(jīng)過正交偏振片后的強度。(e) (θ,φ0)=(π/2,0),l0=-2 時不同lp 的理論強度分布,偏振態(tài)分布以及實驗測得的強度分布和偏振分布,包含經(jīng)過正交偏振片后的強度。(f) (θ,φ0)=(π/3,2π/3),l0=-3 時不同lp 的理論強度分布,偏振態(tài)分布以及實驗測得強度分布和偏振分布,包含經(jīng)過正交偏振片后的強度Fig.2 Metasurfaces based on dual crystal pillar unit cell [61].(a) Poincaré sphere representation of a conventional vector vortex beam and a perfect vortex vector beam,illustrating their different theoretical intensity and polarization distributions in spherical coordinates;(b) Schematic of the bilayer silicon pillar unit structure and the modulation of the incident wavefront phase,amplitude,and polarization state under oblique incidence;(c) Intensity and polarization distributions obtained from theory and experiment for different l0 values at (θ,φ0)=(π/2,0) with lp=0,including the intensity after passing through an orthogonal polarizer;(d) Intensity and polarization distributions obtained from theory and experiment for different l0 values at (θ,φ0)=(π/3,2π/3) with lp=0,including the intensity after passing through an orthogonal polarizer;(e) Intensity and polarization distributions obtained from theory and experiment for different lp values at (θ,φ0)=(π/2,0) with l0=-2,including the intensity after passing through an orthogonal polarizer;(f) Intensity and polarization distributions obtained from theory and experiment for different lp values at (θ,φ0)=(π/3,2π/3) with l0=-3,including the intensity after passing through an orthogonal polarizer

顯然，想要使矢量渦旋光束具有恒定的環(huán)帶光強分布需要對入射光的偏振、振幅、相位這三個量都進行調(diào)控，因此提出了一種具有雙納米柱單元的結(jié)構(gòu)，每個單元由兩個相同的硅晶體納米塊組成，兩者獨立旋轉(zhuǎn)，分別為如圖2(b)所示的 φ1和 φ2，長軸長度為105 nm，短軸為40 nm，高度為600 nm，襯底材質(zhì)為二氧化硅，工作波長在532 nm。除了兩個硅納米塊各自的旋轉(zhuǎn)角度，還可以調(diào)控一個單元內(nèi)兩個柱各自的位置X1和X2，同時，從襯底斜向入射的光又引入了一個新的可調(diào)諧變量，即入射光波矢量與襯底表面法向軸的夾角 γ。對這五個變量進行選擇實現(xiàn)對入射波振幅、相位和偏振的調(diào)控，γ的引入使得周期P的大小與其產(chǎn)生了如圖所示的線性關(guān)系。圖2(c)和2(d)是lp為零時具有不同l0和 (θ,φ0)的完美矢量渦旋光，圖2(c)中的偏振態(tài)為線偏振，對應的l0已經(jīng)標出，第一列為理論強度分布和偏振態(tài)分布，第二列為實驗測量得到的強度分布，第三列和第四列則是通過一對正交偏振片后的光強分布，第五列為測量得到的偏振方向和分布?？梢钥吹皆谙嗤钠駪B(tài)下，不同l0對應的光環(huán)半徑幾乎保持一致，經(jīng)過偏振片后的強度也足以驗證確實發(fā)生了l0的改變。圖2(d-f)與圖2(c)類似，圖2(d)為橢圓偏振態(tài)情況下的對比。圖2(e)和2(f)側(cè)重于比較完美矢量渦旋光束與lp的相關(guān)性，第二列是計算得到的拓撲荷相位項lpφ?？梢钥吹?，無論l0與lp如何變化，光強總能保持恒定大小，為渦旋光束的實用性研究做出了貢獻。

龐加萊光束是由法國數(shù)學家龐加萊提出的橢圓偏振光束，其橢圓偏振的方向具有時間周期性變化，也就是說沿著光束傳播方向的橢圓偏振方向會發(fā)生旋轉(zhuǎn)。龐加萊光束具有重要的應用價值，在光學成像等領(lǐng)域都有著廣泛的應用。在此基礎(chǔ)上進行衍生，2021 年，Liu 等人提出的全介質(zhì)超表面可以在寬帶范圍生成更加復雜的完美高階龐加萊光束(PPBs)[86]。

高階龐加萊光束是一種特殊的光束模式，其相位結(jié)構(gòu)在橫截面上呈現(xiàn)出螺旋形狀。它是龐加萊球面波的高階模式，也被稱為光學螺旋波前(optical vortex wavefront)。高階龐加萊光束的相位結(jié)構(gòu)具有較高的復雜度，通常由較高階的光場模式組成。與普通的龐加萊光束相比，高階龐加萊光束具有更復雜的相位結(jié)構(gòu)和更高的光場模式數(shù)。這些光場模式可以通過在光束傳播方向上引入不同的相位和幅度分布來實現(xiàn)。我們同樣可以通過龐加萊球來描述各種混合階PPB，即混合階龐加萊球(HyOPs)，如圖3(a)所示。HyOPs 的兩極為具有相同橢圓度和不同相位拓撲荷的完美渦旋光束，分別是lm=5 和ln=5。隨機選擇了球體的六個坐標，這六種具有不同偏振橢圓度和拓撲荷的完美龐加萊光束依然保持恒定的光強環(huán)半徑，圖中還展示了使用垂直線性偏振片將這些光束轉(zhuǎn)換后的圖案。

圖3 一種全介質(zhì)自旋復用超表面實現(xiàn)多種完美龐加萊光束[86]。(a)各種完美龐加萊光束的混合階龐加萊球表示；(b)由布置在熔融二氧化硅基板上的TiO2 矩形納米柱構(gòu)成的超表面示意圖，包含單元的透視圖與俯視圖；(c)超表面相位疊加方法示意圖；(d) 530 nm 工作波長下y-z 平面上光學渦旋強度分布于焦點處x-y 平面光學渦旋環(huán)形強度分布圖，比例尺10 μm，右側(cè)為MF1 與MF2 環(huán)形強度分布歸一化截面圖；(e) 480 nm (藍色)、580 nm (黃色)、630 nm (紅色)波長下y-z 平面光強歸一化分布與焦點處光強歸一化分布，比例尺10 μmFig.3 A kind of all-medium spin-multiplexing metasurfaces for various perfect Poincaré beams[86].(a) Hybrid-order Poincaré sphere representation of various perfect Poincaré beams;(b) Schematic view of the metasurface composed of rectangular TiO2 nanorods arranged on a melted silica substrate,including perspective and top views of a unit cell;(c) Schematic diagram of the phase superposition method of the metasurface;(d) Intensity distribution of optical vortex in the y-z plane at the working wavelength of 530 nm,and the ring-shaped intensity distribution of optical vortex in the x-y plane at the focal point,with a scale of 10 μm.The right side is the normalized cross-sectional distribution of the ring-shaped intensity of MF1 and MF2;(e) Normalized light intensity distribution in the y-z plane at 480 nm (blue),580 nm (yellow),and 630 nm (red) wavelengths,and the normalized light intensity distribution at the focal point,with a scale of 10 μm

全介質(zhì)超表面可以實現(xiàn)更好的片上集成，整體結(jié)構(gòu)更加小型化和輕量化，能夠更好地集成到緊湊的納米光子平臺中，同時將傳統(tǒng)生成方式復雜光路簡化，使得現(xiàn)有光路能夠更好地準直，減少相差。圖3(b)展示了構(gòu)成超表面的單元和超表面的示意圖，是在二氧化硅襯底上構(gòu)建的TiO2長方柱結(jié)構(gòu)。每個單元以相同周期U分隔，U恒定為450 nm 以保證整體陣列等效為零階光柵。為了實現(xiàn)完美龐加萊光束的生成，將傳輸相位與幾何相位的調(diào)制原理相結(jié)合，形成相位層面的疊加，實現(xiàn)自旋復用功能。具體疊加方式如圖3(c)所示，對長軸和短軸的調(diào)控為入射光束的x與y分量分別賦予相移 δx和 δy，將大小不一的納米柱進行像素化陣列排布，完成第一層疊加相位的分布調(diào)制，能夠為正交分量分別引入相位分布φ1和 φ2，以產(chǎn)生不同完美渦旋。旋轉(zhuǎn)柱結(jié)構(gòu)會為入射的圓極化光賦予與旋轉(zhuǎn)角度θ成線性關(guān)系的附加相位，不同旋轉(zhuǎn)角度的柱陣列賦予了入射波第二層相位調(diào)制。將二者疊加可以實現(xiàn)完美龐加萊光的相位需求，為了完成疊加，傳輸相位調(diào)控所尋求的所有柱都應等效于半波片，即δx和 δy的差值始終恒定為π，但不同柱之間仍然應該存在相位梯度。這兩種調(diào)制均為相位調(diào)制，不涉及幅度調(diào)制。

文中共設(shè)計了兩種超表面，尺寸為90 μm×90 μm，其中一號超表面(MF1)為右旋圓極化光轉(zhuǎn)換的拓撲荷數(shù)lm=1 的渦旋光束與左旋圓極化光轉(zhuǎn)化的拓撲荷數(shù)ln=5 的渦旋光束疊加，而二號超表面(MF2)則是lm=5 與ln=10 渦旋光束的疊加。具體的實現(xiàn)思路是利用正交圓極化光自旋復用特性在單一超表面生成具有不同拓撲荷數(shù)的完美渦旋光束并進行疊加，生成結(jié)果如圖3(d)所示，對于兩種超表面生成的所有模態(tài)完美龐加萊光束在焦點處光強環(huán)半徑幾乎都保持一致，其截面歸一化強度分布曲線也印證了這一點。圖3(e)則是兩種超表面在不同波長情況下的工作狀態(tài)，波長的改變會使得保證環(huán)半徑一致的焦距發(fā)生變化，對應于480 nm (藍色)、580 nm (黃色)、630 nm (紅色)波長的傳播距離z=230 μm、195 μm 和180 μm，盡管焦距發(fā)生了改變，但仍然能夠在寬帶范圍實現(xiàn)混合階完美龐加萊光束的生成。利用具有高空間分辨率的單層全介質(zhì)超表面生成龐加萊光束，可有效地生成和控制結(jié)構(gòu)化光束。這種方法可以進一步提高對入射波的波前相位的靈活調(diào)控，并促進其在實際應用中的推廣，例如光學通信、光學加密、量子信息科學等方向。

之前已經(jīng)利用全介質(zhì)超表面實現(xiàn)了多種矢量光束的生成，但利用超表面的設(shè)計自由度與高集成特性還可以為矢量光束賦予更多有趣的功能，比如三維矢量光場的調(diào)控研究[87-88]。2022 年Zheng 等人提出的超表面可以在太赫茲波段產(chǎn)生縱向變化的矢量渦旋光束，在光束傳播的方向上進行不同矢量渦旋光束的集成[89]。超表面轉(zhuǎn)化的光束為具有渦旋相位的拉蓋爾-高斯光(Laguerre-Gaussian beam)[90]。文中涉及的超表面充分利用了傳播的兩個自由度和幾何相位，可以靈活的控制兩個正交圓偏振態(tài)的場分布。為了在波矢傳播方向(z方向)實現(xiàn)隨距離變化的矢量光束集成，主要的設(shè)計理念是在縱向上疊加兩個具有不同焦距的渦旋光束，這得益于對超表面進行相位設(shè)計可以實現(xiàn)平面透鏡，即超透鏡。將超表面分為兩個部分，中心圓形部位疊加有近焦距f1會聚超透鏡相位分布，圓形部位以外的環(huán)形區(qū)域同樣疊加有會聚相位分布，能夠在更遠的焦距f2進行會聚，為這兩個區(qū)域附加上不同的渦旋相位，可以在縱向上實現(xiàn)兩個渦旋的疊加，隨著空間相位的變化而變化。

首先是對左旋圓極化光的轉(zhuǎn)化，具體來說，在近焦處(焦距f1=4000 μm)，超表面透鏡可以匯聚拓撲荷為l=+2 的渦旋光束；而在遠焦點(焦距f2=6000 μm)處，同樣可以匯聚具有拓撲電荷l=-2 的渦旋光束，這個過程在圖4(a)中有所展示。另一方面，圖4(b)所示為光強度變化與相位變化圖。在距離從z=4000 μm 到z=4500 μm 的范圍內(nèi)，渦流場主要由拓撲荷為l=+2 的渦旋組成。而在距離從z=4500 μm 到z=5500 μm 的范圍內(nèi)，渦流場的拓撲荷為l=+2 和l=-2 的渦旋都比較明顯。隨著距離的增加，拓撲荷為l=-2 的渦旋逐漸占主導地位。在最后的500 μm 的范圍內(nèi)，渦流場主要由拓撲荷為l=-2 的渦旋組成。針對右旋圓極化光入射，其所生成的渦旋光場分量顯示出了相似的演化趨勢，即從拓撲荷為l=+1 的主導渦流到拓撲荷為l=-1 的主導渦流。這種演變趨勢是高度聚焦系統(tǒng)中自旋到軌道角動量轉(zhuǎn)換的結(jié)果，即通過超表面透鏡將光轉(zhuǎn)化為縱向偏振渦旋束的同時，相應的拓撲荷的變化也呈現(xiàn)出了相同的趨勢，如圖4(c)和4(d)所示。

圖4 圓極化入射全介質(zhì)超表面生成拓撲荷數(shù)空間縱向變化的渦旋光[89]。(a)左旋圓極化光入射超表面時在縱向集成拓撲荷l=±2 的渦旋光束；(b)隨著傳播距離變化的空間場強分布截面與相位分布(x-y 平面，左旋圓極化入射情況)；(c)右旋圓極化光入射超表面時在縱向集成拓撲荷l=±1 的渦旋光束；(d) 隨著傳播距離變化的空間場強分布截面與相位分布(x-y 平面，右旋圓極化入射情況)Fig.4 Vortex beams with longitudinal variation in topological charges based on all-dielectric metasurfaces at the incidence of circular polarization[89].(a) Vortex beams of longitudinal topological charge l=±2 are generated when left-handed circularly polarized light is incident on the metasurface;(b) The spatial distribution of the field strength and phase changes with propagation distance in the x-y plane when lefthanded circularly polarized light is incident;(c) Vortex beams of longitudinal topological charge l=±1 are generated when right-handed circularly polarized light is incident on the metasurface;(d) The spatial distribution of the field strength and phase changes with the propagation distance in the x-y plane when right-handed circularly polarized light is incident

對于兩個具有相反拓撲電荷的拉蓋爾-高斯光的疊加，其表達式可以表示為

其中：cl為LG 光的系數(shù)，l為渦旋光束攜帶的拓撲荷數(shù)，φ為方位角?？梢詮氖?3)中看出光束疊加產(chǎn)生了具有徑向偏振特性的矢量光束。如果為這兩束渦旋光之間引入數(shù)值為π 的相位差，則表達式轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

在這種情況下則產(chǎn)生了角向偏振分布的矢量光束。通過渦旋光的疊加可以生成矢量渦旋光，線偏振光束也可以分解為一對正交圓極化光，因此在之前兩種超表面的設(shè)計基礎(chǔ)上，可以更進一步地研究線極化光束入射產(chǎn)生具有縱向變化的矢量渦旋光束，如圖5(a)所示。

圖5 線極化入射超表面生成矢量渦旋光[89]。(a)入射光在z 方向由角向偏振分布渦旋光束向徑向偏振分布渦旋光束轉(zhuǎn)化；(b)空間偏振分布，從角向分布到二階徑向分布；(c)空間偏振分布，從徑向分布到二階徑向分布Fig.5 Vector vortex beam generation at the incidence of linear polarization[89].(a) The incident light polarized in the z-direction is converted from a vortex beam with angular polarization distribution to a vortex beam with radial polarization distribution;(b) Spatial polarization distribution changes from an angular distribution to a second-order radial distribution;(c) Spatial polarization distribution changes from a radial distribution to a second-order radial distribution

圖5(b)展示的是疊加兩束具有相位差π 的LG 光產(chǎn)生的角向矢量渦旋光束的偏振變化，在4000 μm 處表現(xiàn)為標準的角向矢量偏振，而傳播到6000 μm 處時，偏振特性變?yōu)槎A徑向偏振變化。圖5(c)則是沒有相位差的光束的疊加，因此在近焦處呈現(xiàn)徑向矢量偏振分布，在傳播至遠焦處時同樣變?yōu)槎A徑向分布。通過這一系列超表面設(shè)計模擬與實驗驗證，產(chǎn)生了在縱向上靈活變化的矢量渦旋光束，充分利用了光偏振傳播特性和超表面自身的設(shè)計自由度，為矢量光的產(chǎn)生提供了更多方向。

3 金屬型超表面生成渦旋光束

金屬超表面是由具有亞波長尺寸的二維金屬單元構(gòu)成的平面結(jié)構(gòu)，具有可調(diào)制的光學特性[91-93]。它們被廣泛應用于光學設(shè)備、傳感器[94]、信息顯示和通信等領(lǐng)域。通常，金屬超表面的單元是由金屬(例如銀、鋁、金等)制成，并沿著一個平面排列[95-99]。每個單元的大小通常小于光波長，因此可以被當作一個整體來處理，其表現(xiàn)形式與整個表面的光學反應相關(guān)?？梢酝ㄟ^調(diào)整每個單元的幾何形狀、尺寸和分布方式，實現(xiàn)對光學性質(zhì)的有效控制，如偏振[100-101]和相位等。金屬超表面的光學性質(zhì)可以通過控制光的透射、反射和吸收來實現(xiàn)[102-104]。可以調(diào)整金屬超表面的結(jié)構(gòu)，使其吸收或反射特定波長的光，實現(xiàn)類似于濾波的功能。此外，金屬超表面還可以實現(xiàn)類似于透鏡和棱鏡的功能，通過對光的相位進行調(diào)整實現(xiàn)光的聚焦、分束和成像[105-106]。

由于金屬超表面具有體積小、輕巧、靈活可控等特點，在光學應用領(lǐng)域中擁有廣泛的應用前景。在介質(zhì)超表面部分我們曾經(jīng)提及利用雙柱結(jié)構(gòu)實現(xiàn)完美矢量渦旋光束的生成，雙柱結(jié)構(gòu)對于設(shè)計與加工還是具有一定的復雜性，早在2018 年，Zhang 等人提出的金納米孔陣列只利用PB 相位原理進行調(diào)控生成不同波長完美渦旋光束，雖然沒有為渦旋光束賦予矢量偏振特性，但其設(shè)計思路與加工難度都更具有普適性[107]。如圖6(a)所示，結(jié)構(gòu)為正方形金板上的矩形孔，以法向為軸進行旋轉(zhuǎn)，金納米孔簡單的構(gòu)造可以使超表面的空間分辨率得到提升，使相位調(diào)制精度更加的精細，加工精度的提升也使得該結(jié)構(gòu)能夠更好地匹配PB 相位的調(diào)控模式，超表面的整體尺寸為50 μm×50 μm。對于PB 相位，矩形孔的旋轉(zhuǎn)角度 θ與相位息息相關(guān)，圖6(b)展示了不同旋轉(zhuǎn)角度下相位的曲線，在600～1000 nm 波長范圍內(nèi)相位曲線變化均勻且平滑，容差非常高。傳統(tǒng)方式實現(xiàn)完美渦旋光的光路由軸錐、螺旋相位板以及透鏡完成，將三者的相位分布按照如圖6(d)所示進行疊加，得到需要的相位，再通過旋轉(zhuǎn)矩形孔進行陣列排布，使整個陣列的相位分布與設(shè)計需求符合。從圖6(c)我們可以看到，在相同的波長條件下，不同縱向距離處光圈大小不同，但不同拓撲荷光圈的大小能夠保持一致，對縱向傳播方式進一步進行探索，如圖6(e)所示，整個光束的能量幾乎全部集中在光強環(huán)帶上，整個光環(huán)隨著傳播逐漸擴散，可以通過調(diào)節(jié)縱向距離得到不同大小的光圈。如果深化相位的疊加，可以將不同拓撲荷的光斑集成在同一表面進行觀察，如圖6(f)所示，針對不同焦距設(shè)計得到不同的相位排布，可以在同一焦平面同時觀察到四個大小一致但具有不同拓撲荷的圓環(huán)。介質(zhì)型超表面也可以實現(xiàn)類似的功能，但金屬超表面的制備更加容易。

圖6 金納米孔陣列實現(xiàn)完美渦旋光[107]。(a)金納米孔結(jié)構(gòu)參數(shù)與示意圖；(b)不同旋轉(zhuǎn)角度對應的相位曲線分布；(c)相同波長下不同拓撲荷在不同縱向距離的光強對比；(d)實現(xiàn)完美渦旋光需要的相位疊加；(e)生成的完美渦旋光束光強縱向分布示意圖；(f)同一焦平面實現(xiàn)四束完美渦旋光的相位分布于光強分布，上半部分焦距為4 μm，下半部分焦距為8 μmFig.6 Perfect vortex light generated by the gold nanopore array[107].(a) Structural parameters and schematic diagram of the gold nanopore;(b) Phase curve distribution corresponding to different rotation angles;(c) Comparison of light intensity of different topological charges at different longitudinal distances under the same wavelength;(d) Phase superposition required to achieve perfect vortex light;(e) Schematic diagram of the longitudinal distribution of the generated perfect vortex light beam intensity;(f) The phase distribution and light intensity distribution of four perfect vortex lights realized on the same focal plane,with a focal length of 4 μm in the upper half and 8 μm in the lower half

在矢量光束應用的研究中，高容量光通信始終是一個熱門的課題，之前提及的研究更多集中在同軸傳輸光束復用，而離軸控制技術(shù)提及的并不很多。2021 年，Chen 等人提出了一種使用離軸偏振控制圓柱矢量波束的復用-解復用反射金屬超表面，用以解決傳統(tǒng)光纖光通信中波分復用的限制[108]。波分復用技術(shù)旨在同一光纖傳輸多路不同波長的光信號，實現(xiàn)多路信號的同時傳輸，從而提高了光纖帶寬利用率，然而終究會受到帶寬的限制，由于傳輸帶寬可用性有限，使得傳輸速率最終會出現(xiàn)閾值。

有別于渦旋光束，圓柱矢量光束具有空間非均勻偏振，并不承載有光學角動量，其在大氣湍流中具有強大的超長距離傳輸能力，這是由于矢量模是少模光纖的本征模，同時，其波長與偏振態(tài)無關(guān)[109-110]。但是，圓柱矢量光束可以由兩個具有反向圓極化和共軛拓撲電荷的渦旋光束耦合而來，延伸至一般情況，具有第m偏振階的圓柱矢量光束的Jones 矩陣可以表示為

其中：E0是簡化振幅，m是偏振階數(shù)，θ是方位角，φ0是初始相位。

為了方便地實現(xiàn)離軸操控，這里渦旋光束的生成不再是在平面上覆蓋渦旋相位，而是利用Dammann渦旋光柵相位 (Dammann vortex grating phase)來實現(xiàn)[111]。Dammann 渦旋光柵是一種特殊的光學元件，通過在光柵表面設(shè)計特殊的相位結(jié)構(gòu)，可以將入射的光束分成若干個光束，每個光束的相位結(jié)構(gòu)都呈現(xiàn)出渦旋狀的相位分布。相比傳統(tǒng)的方法，使用Dammann 渦旋光柵可以更加高效地產(chǎn)生渦旋光束，而且可以產(chǎn)生多個渦旋光束并控制它們的位置和數(shù)量。具體來說，入射的波前通過光柵相位后會被分成多個相同的區(qū)域，并在每個區(qū)域中形成一個渦旋光束，如圖7(a)所示，藍色圓形箭頭用于表示RHCP (righthanded circularly polarized)，紅色箭頭用于表示LHCP(left-handed circularly polarized)，當一束光入射時，會在四個區(qū)域生成不同的渦旋光束，單元結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖和俯視圖在圖7(a)右側(cè)表示，超表面由多層結(jié)構(gòu)組成，由上至下，厚度恒定為50 nm 的金矩形片結(jié)構(gòu)沉積在二氧化硅上，下層是金膜與硅構(gòu)成的金鏡，增強反射效率。圖7(b)是圖7(a)中各個模式對應的光場分布圖。要實現(xiàn)圖中所示的功能，超表面x與y方向上的相位延遲符合圖7(c)中所示的三個級別，且均為半波延遲，圖7(d)則是LHCP 光束的三個不同取向角獲得的相位延遲。

圖7 金屬超表面實現(xiàn)圓柱矢量光束的多路復用與解復用[108]。(a)不同光束入射金屬超表面產(chǎn)生多衍射級不同拓撲荷渦旋光束；(b)入射光束與不同衍射階光束的偏振態(tài)及光強分布示意圖；(c)超表面在x 與y 方向滿足三個級次的相位分布；(d)不同入射角度產(chǎn)生的相位延遲；(e)利用兩個超表面實現(xiàn)多路復用與解復用示意圖，包含入射光束、多路復用光束與階復用光束的偏振與光強分布圖Fig.7 Multiplexing and demultiplexing of cylindrical vector beams based on metal metasurfaces[108].(a) Metal metasurfaces generating multilevel diffracted topological vortex beams for different incident beams;(b) Schematic diagram of the polarization state and intensity distribution of the incident beam and different diffracted order beams;(c) The metasurface satisfies three order phase distributions in the x and y directions;(d) Phase delay generated by different incident angles;(e) Schematic diagram of multiplexing and demultiplexing using two metasurfaces,including the polarization and intensity distribution of the incident beam,multiplexed beam,and order multiplexed beam

為了實現(xiàn)圓柱矢量光束的多路復用，使用超表面對多路入射光束復用的同時，還需要另一個超表面對接受光束進行解復用，如圖7(e)所示。將四束具有數(shù)字信號的高斯光束以不同的衍射級角度入射到復用器上，取決于不同的入射角度，所有高斯光束均被轉(zhuǎn)化為具有不同偏振級數(shù)的圓柱矢量光束，與超表面的零級衍射進行同軸傳輸，完成發(fā)射信號的波前調(diào)制。一個能夠生成m階衍射級圓柱矢量光束的超表面可以用來進行信號的解調(diào)工作，設(shè)計方法與之前類似且更加簡單。除了單純的高斯光束入射，也可以使用不同m的圓柱矢量光束進行入射，例如入射m=-1的圓柱矢量光束，圖7(e)中的a1 是高斯光束入射時4個衍射級中的偏振與強度分布，a2 則是以m=-1階的圓柱矢量光束入射時的衍射級強度與偏振分布，是衍射級為+1 的高斯光。多路復用的同軸光束與多路分解，即b1～b5 的實驗光強也在圖7(e)的右上角標出。由于金屬超表面平坦緊湊，因此在系統(tǒng)集成和小型化方面非常有前景，可以在高容量通信系統(tǒng)中得到應用。

和介質(zhì)型超表面相比，金屬超表面更加平面化，利用其平坦特性進行集成可以為超表面生成渦旋光束賦予更多的可能性，如2020 年Zhao 等人提出的利用金屬超表面實現(xiàn)高效率二次諧波渦旋光束的產(chǎn)生，就是將非線性材料與金屬超表面相結(jié)合，以產(chǎn)生諧波渦旋束[112]。所謂二次諧波，是指在非線性光學過程中產(chǎn)生的一種光波。當一束高功率的激光束通過一些非線性光學介質(zhì)(如晶體、光纖等)或者表面，會發(fā)生非線性光學效應，導致在輸出光波中產(chǎn)生頻率是輸入光波頻率的兩倍的波，即二次諧波。二次諧波的頻率是輸入光波頻率的兩倍，因此它的波長是輸入光波波長的一半。二次諧波渦旋光束可以在諧波頻率下具有螺旋相位面，同樣可以提供額外的復用自由度和信息編碼能力。

為了實現(xiàn)上述功能，該論文主要利用的是單層金屬超表面的小寬深比，在金屬板上打孔，使得制備出的超表面可以被視為基底進行二次加工。利用化學氣相沉積法將一層WS2沉降在金納米孔陣列表面，這一想法的實現(xiàn)充分利用了金超表面的穩(wěn)定與平坦，以金納米孔陣列激發(fā)具有渦旋相位分布的出射場，對覆蓋于表面的WS2進行泵浦足以生成具有增強轉(zhuǎn)換效率的非線性O(shè)AM 信號，如圖8(a)所示。圖8(a)左側(cè)展示的矩形金納米孔利用了PB 相位原理，在入射的LHCP 光束激勵下產(chǎn)生帶有拓撲荷l附加相位的右旋分量與不帶渦旋相位的左旋分量，再經(jīng)過單層WS2后變?yōu)榱司哂?l相位的LHCP 分量，RHCP 分量不再考慮，因此整體的變化如圖8(a)右側(cè)所示，根據(jù)諧波級次n的不同，最終的渦旋光束會帶有2nl的拓撲荷。圖8(b)的左側(cè)為金納米孔在時域有限元差分法模擬下的透射光譜，可以看出在810 nm 波長處有明顯諧振峰值，右側(cè)則是Au-WS2與單純WS2光譜的對比，可以看到在405 nm 諧振處Au-WS2超表面的強度幾乎達到WS2的4 倍，有明顯的增強效果，且波長為基本波長的一半，確實為二次諧波響應。

圖8 一種金屬超表面實現(xiàn)二次諧波渦旋光束[112]。(a)金納米孔陣列沉降WS2 層對光束的轉(zhuǎn)化原理示意圖；(b)金納米孔陣列，Au-WS2 超表面以及單WS2 的透射譜分析；(c)超表面相位與空間傳輸示意圖；(d)不同拓撲荷光強與相位分布圖Fig.8 A metal metasurface achieving second harmonic vortex beams[112].(a) Schematic illustration of the transformation principle of the gold nanohole array settling WS2 layer on the beam;(b) Transmittance spectra analysis of the gold nanohole array,Au-WS2 metasurface,and single WS2;(c) Metasurface phase and spatial transmission schematic;(d) Distribution of different topological charges,light intensity,and phase

如圖8(c)所示，金納米孔陣列不僅有l(wèi)=1/2的渦旋相位，同時疊加了聚焦相位，這是由于聚焦功能的引入可以使二次諧波焦點處的強度增加。同時，由于PB 相位原理，出射光束攜帶有與基本光束正交極化的信號，這一部分不帶有相位信息，聚焦的引入增大這一部分在傳播中的擴散，進一步提高了信號與背景噪聲的比率?？梢钥吹缴傻男盘栐趜軸傳播的采樣，由發(fā)散，到聚焦，再到擴散，成功的在焦點處形成明亮的圓環(huán)。在低拓撲荷成功實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)增大金納米孔陣列的基礎(chǔ)拓撲荷，從而實現(xiàn)了高達l=28的二次渦旋諧波，如圖8(d)所示。每一種拓撲荷都包含了焦點處光強分布，對焦點的偏振檢驗以及焦點處相位的分布，在提高拓撲荷的同時保有高轉(zhuǎn)化效率，證明了金屬超表面轉(zhuǎn)化的角動量可以投影在非線性材料的諧波信號上，為產(chǎn)生用于光通信的諧波光學渦旋提供了一條新的途徑。

在光通信中除了利用矢量光束進行復用，矢量光束本身復雜分布的偏振態(tài)也為加密提供了可能。偏振是電磁波的一個基本特征，由于調(diào)制的矢量光可以同時包含多種偏振狀態(tài)，能夠傳遞大量的光學信息。2023 年，Zhao 等人提出了一種太赫茲波段的三層金屬超表面，能夠高效地進行矢量場的調(diào)控，利用單個超薄超表面為多通道光通信進行光學信息的攜帶與加密[113]。如圖9(a)所示，超表面單元共有五層，單元表面和底部為一對正交的金屬光柵結(jié)構(gòu)，中間則是C形開口環(huán)，正交光柵用于實現(xiàn)偏振的轉(zhuǎn)化，開口環(huán)調(diào)節(jié)相位變化。為了實現(xiàn)不同角度偏振態(tài)，光柵結(jié)構(gòu)與x軸以 θ 和 θ+π/2 的角度進行旋轉(zhuǎn)，控制金屬光柵的縫寬和光柵條寬度進行調(diào)諧，對C 形開口環(huán)則是調(diào)諧其開口角度、內(nèi)外圈環(huán)半徑和旋轉(zhuǎn)角度以實現(xiàn)相位的覆蓋，相對于光柵，開口環(huán)的旋轉(zhuǎn)為 +π/4。通過這三層結(jié)構(gòu)的配合可以輸出具有相位調(diào)制的不同角度偏振態(tài)光束。以多層金屬單元為基礎(chǔ)構(gòu)建超表面，為了實現(xiàn)多通道輸出，將超表面按照圖9(b)所示劃分為八個超級單元，每個大單元單獨進行相位和偏振調(diào)制，在保證區(qū)塊偏振態(tài)一致的情況下，利用基于瑞利-索末菲衍射理論的模擬退火算法進行迭代計算，得到每個區(qū)塊的全息相位分布。

圖9 一種三層金屬超表面實現(xiàn)多通道矢量全息[113]。(a)三層金屬超表面單元結(jié)構(gòu)示意圖，每層金屬結(jié)構(gòu)之間以PI (聚酰亞胺)介質(zhì)隔開；(b)超表面陣列區(qū)塊偏振旋轉(zhuǎn)角度分布示意圖；(c)超表面實現(xiàn)多通道矢量全息效果示意圖；(d)實驗結(jié)果示意圖，包含沒有選擇偏振態(tài)進行檢測的全息圖振幅分布與不同通道隱藏偏振態(tài)實驗振幅分布Fig.9 A three-layer metal metasurface realizing multi-channel vector holography [113].(a) Schematic diagram of the three-layer metal metasurface unit structure,with PI (polyimide) medium separating each layer of metal structure;(b) Schematic diagram of the polarization rotation angle distribution of the metasurface array blocks;(c) Schematic diagram of the multi-channel vector holography effect achieved by the metasurface;(d) Schematic diagram of the experimental results,including the amplitude distribution of the hologram without selecting the polarization state for detection,and the amplitude distribution of the experiment with different channels hiding polarization states

超表面的效果示意圖如圖9(c)所示，當一束圓偏振光入射時，每個區(qū)塊分別生成了從一到八的全息圖，且每個數(shù)字攜帶的偏振信息均不相同，整個波平面的偏振呈現(xiàn)非均勻分布。如果對某種偏振態(tài)進行濾波則可以實現(xiàn)矢量全息圖的隱藏，如圖9(d)所示。不進行偏振隱藏時，所有數(shù)字的全息影像都清晰可見，選擇性地對某種偏振態(tài)進行濾波，對應的數(shù)字就會得到隱藏。

以上功能的實現(xiàn)都是依賴于金屬超表面的超平坦特性，與介質(zhì)超表面相比，這種方式無疑使單一超表面上不同結(jié)構(gòu)的集成更加靈活，盡管金屬超表面的損耗往往會大于全介質(zhì)型超表面，但是在可接受的范圍內(nèi)也能為超表面實現(xiàn)多樣化矢量光場的生成與應用提供全新的思路與方向。

4 智能超表面生成渦旋光束

目前對超表面的研究中，如何實現(xiàn)電磁波動態(tài)調(diào)控一直是研究的熱點。目前，研究人員已經(jīng)提出了多種可調(diào)諧超表面的設(shè)計方案和制備方法，例如，通過調(diào)節(jié)超表面中的電子、光子或聲子耦合效應，可以實現(xiàn)對電磁波頻率的調(diào)諧。此外，利用外加電場、熱控、光控或化學反應等方法，也可以實現(xiàn)對超表面的調(diào)控[114-116]。在這里，我們著重介紹智能超表面。智能超表面是一種基于微結(jié)構(gòu)和可編程元件的超表面，它可以根據(jù)需要對電磁波進行復雜的、高精度的調(diào)控，根據(jù)調(diào)控方式的不同，智能超表面也可以被稱為可重構(gòu)超表面、可調(diào)諧超表面或可編程超表面[117-121]。與傳統(tǒng)的超表面相比，可編程超表面可以更加靈活地實現(xiàn)多功能調(diào)控，同時能夠處理更具挑戰(zhàn)性的光子學任務。除了在表面上對微小結(jié)構(gòu)的三維形貌、大小、密度、分布等多種因素的參數(shù)化設(shè)計，可編程超表面的核心是可重構(gòu)元件技術(shù)，它是可編程超表面的實現(xiàn)基礎(chǔ)，亞波長電磁結(jié)構(gòu)材料的電磁特性主要由結(jié)構(gòu)的電磁響應決定，在單元結(jié)構(gòu)中加載可調(diào)的電子元器件或者介電材料，包括MEMS 器件、液晶器件、電磁器件、光學器件等多種可編程元件，可以實現(xiàn)分別控制可編程超表面單元中微結(jié)構(gòu)的不同狀態(tài)[122-124]。這些狀態(tài)包括振幅、相位、極化等，也可以是幾個維度加和而成的多自由度狀態(tài)，從而提高了超表面的可編程性和調(diào)控能力。能夠看出，可編程超表面具有非常高的自由度，可以實現(xiàn)復雜、多功能的電磁波調(diào)控。同時，它還可以在新型傳感器、智能表面、3D 成像、通信系統(tǒng)等許多領(lǐng)域中發(fā)揮巨大作用，它為光電子學領(lǐng)域的應用提供了全新的機會和解決方案，有著非常廣闊的應用前景[125-127]。

目前實現(xiàn)可編程超表面的典型方法是使用PIN 二極管或變?nèi)荻O管，如2020 年Li 等人提出的一種可編程散射超表面[128]，在單元中引入PIN 二極管，可以使得單元獲得兩種狀態(tài)表征，主要是在相位上實現(xiàn)π的差值以形成“0”、“1”編碼，再通過現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)進行數(shù)字控制，使超表面陣列能夠在不同的編碼模式下切換，從而實現(xiàn)功能的切換，如圖10(a)所示。向超表面的PIN 二極管施加控制電壓來動態(tài)控制相位、振幅和偏振態(tài)的反射系數(shù)，PIN二極管由FPGA 進行切換，F(xiàn)PGA 根據(jù)時空編碼矩陣控制電路，從而控制PIN 二極管的關(guān)斷?；贔PGA和PIN 二極管的控制電路，超表面實現(xiàn)了交叉線偏振(CLP)、右旋圓偏振(RHCP)和左旋圓偏振(LHCP)轉(zhuǎn)換、散射操縱、擴散、雙頻帶輻射、低交叉偏振發(fā)射和OAM 生成等多種功能。

圖10 一種可編程控制散射超表面[128]。(a) FPGA 控制超表面編碼實現(xiàn)多功能轉(zhuǎn)換；(b)超表面單元結(jié)構(gòu)示意圖與超表面實物圖；(c)可編程超表面實現(xiàn)不同拓撲荷OAM 光束切換，光強及相位分布示意圖Fig.10 A programmable controlled scattering metasurface[128].(a) FPGA controls the meta-surface coding to achieve multi-functional transformations;(b) Schematic diagram and physical picture of the metasurface unit structure;(c) Programmable metasurface achieves different topological charges of OAM beam switching,and the schematic diagram of the intensity and phase distribution

超表面單元的設(shè)計與無源金屬超表面相比，主要是整合了PIN 二極管的控制電路。在單元頂層進行金屬各向異性結(jié)構(gòu)和發(fā)射貼片巧妙合理的布置，中心有槽的矩形旋轉(zhuǎn)貼片可以反射電磁波。反射貼片周圍的分裂環(huán)諧振器被設(shè)計為各向異性結(jié)構(gòu)，用于控制反射EM 波的偏振。PIN 二極管連接圖10(b)中的開口環(huán)諧振器，中間層上的銅是一個金屬接地，端口連接發(fā)射貼片和金屬接地，底部銅和下部基板構(gòu)成控制電路。單元被預設(shè)為等效四分之一波片功能，通過二極管開關(guān)形成相位差以在y偏振光入射情況下生成拓撲荷分別為+2 和-2 模式的OAM 光束，如圖10(c)所示，在近場中的模擬結(jié)果證明生成效果理想，可以清楚地觀察到空間相位分布。類似地，還有2020 年Liu 等人提出的頻域與空域可重構(gòu)超表面[129]，以及2022 年Liu 等人提出的寬帶可重構(gòu)超表面[130]等，都是利用類似的設(shè)計原理，以“0”、“1”編碼實現(xiàn)渦旋光束的生成。

對于光束狀態(tài)復雜的矢量光束，僅僅通過兩位編碼還是略有不足，2020 年Shuang 等人在此基礎(chǔ)上通過增加二極管的數(shù)量和電路排布方式[127]，增加每個單元的相位響應，使得單元數(shù)能夠找到對應于00、01、10 和11 的四個編碼狀態(tài)，增加相位覆蓋的密集度，當用相應的控制編碼序列寫入時，2 位可編程超表面可以用于生成具有高達6 個電子控制拓撲電荷和可控任意渦流中心的OAM 光束。同時，通過使用超表面卷積加法定理來為可編程超表面在OAM 無線通信中調(diào)制更加有趣的應用，如偏轉(zhuǎn)和多模OAM 波束動態(tài)生成并獨立控制。

構(gòu)成超表面的單元結(jié)構(gòu)如圖11(a)所示，單個單元集成三個串聯(lián)PIN 二極管，所有二極管具有由偏置電壓(3.3 V 或0 V)控制的ON 和OFF 兩種操作狀態(tài)。當PIN 二極管工作在ON 狀態(tài)時，它可以等效為寄生電感和電阻的串聯(lián)電路；如果PIN 二極管處于OFF狀態(tài)，則使用寄生電感、電容和電阻的串聯(lián)電路來描述單元的物理等效模型。當通過FPGA 用不同的編碼模式對超表面進行編程時，可以生成以原點為中心的單模OAM 光束，攜帶具有l(wèi)=2、4、6 的不同拓撲電荷的光束，如圖11(b)所示。無論是相位、光強還是OAM 譜的純凈度都要比1 bit 時得到了提升。當用相應的控制編碼序列重新配置超表面時，可以操縱帶有拓撲電荷l=1、2、3 的OAM 光束，并使其轉(zhuǎn)向θ=±20°、0° 和 ±40°，如圖11(c)所示，從以上結(jié)果中我們可以看出設(shè)計的超表面可以用于動態(tài)控制單模OAM 攜帶光束的拓撲電荷和渦旋中心。在此基礎(chǔ)上，利用卷積加法原理進行編碼也可以用于動態(tài)生成和控制多模OAM 攜帶波束，即生成的OAM 光束具有多個渦流中心或拓撲電荷，并且這些模式可以獨立控制，如圖11(d)所示，在同一平面上生成多個不同拓撲荷的OAM 光束，渦流數(shù)可以自由地控制。

圖11 一種2-bit 可編碼超表面[127]。(a)超表面陣列實物與單元構(gòu)成示意圖；(b)利用超表面實現(xiàn)單模不同拓撲荷OAM 光束，包含超表面相位分布與仿真結(jié)果；(c)改變編碼實現(xiàn)單模OAM 波束偏轉(zhuǎn)不同角度光強示意圖；(d)多模OAM 光束的生成與集成，包含近場與遠場光強分布示意圖Fig.11 A 2-bit encoded metasurface[127].(a) Schematic diagram of the metasurface array and unit composition;(b) Using the metasurface to realize a single-mode OAM beam with different topological charges,including the metasurface phase distribution and simulation results;(c) Changing the code to achieve different angles of deflection for a single-mode OAM beam,as shown by the schematic diagram of the light intensity;(d) The generation and integration of multi-mode OAM beams,including the near-field and far-field light intensity distributions

除了利用PIN 二極管偏壓進行控制，超表面的可重構(gòu)性也可以通過其他方式體現(xiàn)，如2020 年Zhang等人提出的利用光敏二極管替代傳統(tǒng)PIN 二極管實現(xiàn)光驅(qū)動可重構(gòu)超表面的方法，它可以通過光學編程來實現(xiàn)電磁功能[131]。該超表面有6 × 6 個子陣列，每個子陣列包含4 × 4 個基于變?nèi)荻O管的超表面元件與基于光電二極管的光學電路集成。具體實現(xiàn)原理為將可見光照明模式轉(zhuǎn)換為電壓，并向超表面元件施加偏壓，從而產(chǎn)生特定的微波反射相位分布。這種光學驅(qū)動的數(shù)字超表面可以實現(xiàn)隱身和動態(tài)渦流束生成。通過改變照明強度，每個超表面可以在較寬的頻率范圍(37.5%的相對帶寬)內(nèi)實現(xiàn)精確的180°相位差。在無線接收到不同的光模式后，超表面可以在其孔徑上生成相位模式以實現(xiàn)不同的功能，如圖12 所示。2022 年Chen 等人還提出了一種通過調(diào)節(jié)石墨烯費米能級來實現(xiàn)不同頻段渦流束生成的可調(diào)諧超表面，在寬帶可調(diào)諧范圍內(nèi)生成渦旋光，只是利用對石墨烯材料的調(diào)控進行調(diào)諧，不使用外加偏置電壓的方式[132]。

圖12 利用光敏二極管可調(diào)諧超表面實現(xiàn)不同功能[131]Fig.12 Using a tunable metasurface with a photodetector to achieve various functions[131]

智能超表面的出現(xiàn)使得超表面在矢量光束的生成方面更加靈活，額外地提供了時空調(diào)節(jié)的特性，盡管在相位上還不能達到無源超表面的精確覆蓋，但是同樣為這方面的研究提供了更多的可能，為下一代無線通信系統(tǒng)構(gòu)建具有自主自適應可編程功能的智能超表面設(shè)備打下了堅實的基礎(chǔ)。

5 總結(jié)與展望

矢量光場因其獨特的特性一直是光學研究領(lǐng)域的熱門，對矢量光束及其偏振態(tài)的研究無論是在經(jīng)典光學還是量子光學中都非常重要，光子的自旋性為其研究賦予了更多可能。傳統(tǒng)生成矢量光束的方式往往需要復雜的光路設(shè)計與繁多的裝置，大大增加了研究成本。隨著超表面的應用，利用微納光學創(chuàng)造更加輕薄的器件，以集成光學系統(tǒng)替換傳統(tǒng)光學系統(tǒng)生成矢量光，為這方面的研究提供了更多的可能性。例如設(shè)計可替代傳統(tǒng)光學元件的超表面、利用高片上集成度實現(xiàn)復雜光場的單片生成、提高矢量光束生成效率等，結(jié)合時下熱門的新材料，超表面能夠不斷煥發(fā)新的活力。

本文中提及的各種材料超表面均體現(xiàn)出了靈活性、高效性和緊湊性。超表面可以通過設(shè)計其微結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)對矢量光場的精確控制?？梢酝ㄟ^調(diào)整超表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)來實現(xiàn)特定的光學功能，如相位調(diào)制、偏振控制等，從而靈活生成所需的矢量光場。同時，針對不同設(shè)計需求對材料進行選擇，超表面可以實現(xiàn)高效的光場轉(zhuǎn)換和調(diào)控。相比傳統(tǒng)的光學元件，超表面具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率，減少了能量損耗，提高了光場生成的效率。最后，超表面可以實現(xiàn)光學功能的微型化和集成化。由于超表面的微結(jié)構(gòu)可以制備在微米尺寸的平面上，因此可以將多個光學功能集成在一個超表面上，實現(xiàn)緊湊的矢量光場生成系統(tǒng)。

但是目前對于超表面生成矢量光的研究仍然存在一些挑戰(zhàn)。首先是波長的限制，超表面的性能通常與入射光波的波長密切相關(guān)。超表面的設(shè)計和優(yōu)化需要考慮光波的波長范圍，因此在不同波長范圍內(nèi)的光場生成可能需要不同的超表面設(shè)計。其次是靈敏性，超表面對于入射光的角度和偏振狀態(tài)較為敏感。微小的入射角度或偏振偏離設(shè)計值可能會導致超表面的性能下降，影響矢量光場生成的精確度和穩(wěn)定性，以及制備的復雜性，超表面的制備和加工相對復雜，需要高精度的納米加工技術(shù)和材料工藝。這可能導致超表面的制備成本較高，并對大規(guī)模生產(chǎn)造成一定的挑戰(zhàn)。