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導(dǎo)讀

近日，天津大學(xué)姚建銓院士課題組與首都師范大學(xué)張巖教授課題組合作報(bào)道了一種通用的全介質(zhì)超表面平臺，可以在太赫茲波段產(chǎn)生縱向變化的矢量渦旋光束。作為概念證明演示，表征了一系列產(chǎn)生渦旋光束拓?fù)浜裳莼褪噶繙u旋光束的矢量偏振態(tài)演化的超表面。實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果充分驗(yàn)證了所提方案的可行性。該方案在可見光和微波等波段同樣適用。相關(guān)成果以“Creating longitudinally varying vector vortex beams with an all-dielectric metasurface”為題發(fā)表于Laser & Photonics Reviews上。天津大學(xué)鄭程龍博士為該項(xiàng)工作的第一作者，天津大學(xué)張雅婷副教授、姚建銓院士和首都師范大學(xué)張巖教授為論文的通訊作者。本工作得到了包括國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。

研究背景

攜帶有軌道角動(dòng)量的電磁波稱為渦旋波，具有螺旋狀的相位結(jié)構(gòu)和甜甜圈狀的強(qiáng)度分布。由于具有不同拓?fù)浜傻臏u旋光束之間的模式正交性，使得其在大容量通信中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。除此之外，渦旋光束還被廣泛應(yīng)用于捕獲和旋轉(zhuǎn)微粒、量子信息、超分辨成像等領(lǐng)域。

除了具有空間均勻的偏振光外，具有不均勻偏振特征的光束稱為矢量光束，也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。其獨(dú)特的偏振分布引起了其在光學(xué)捕獲、超分辨顯微、激光加工方面的工程應(yīng)用。軸向雙折射元件、空間變化延遲器、超表面等都可以用來產(chǎn)生矢量光束。同時(shí)具有非均勻的偏振態(tài)和攜帶軌道角動(dòng)量的光束稱為矢量渦旋光束。

除了只考慮單個(gè)平面上的偏振和渦旋分布，也有一些文獻(xiàn)報(bào)道了在多個(gè)平面上操控光場的能力。然而，現(xiàn)有的這些方案要么是采用體積龐大的空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)，要么需要復(fù)雜的光路以及濾波操控才能實(shí)現(xiàn)。這些在實(shí)際應(yīng)用特別是在太赫茲波段會(huì)造成很大的限制。 

亮點(diǎn) 

圖1 可產(chǎn)生縱向變化的矢量渦旋光束的全介質(zhì)超表面示意圖。

（1）渦旋光束拓?fù)浜煽v向演化

首先展示了該超表面器件產(chǎn)生縱向變化的渦旋光束的能力。在左旋圓偏振（LCP）波入射下，產(chǎn)生的渦旋光束的拓?fù)浜呻S著傳播距離的增大從l = +2演化到 l = -2（如圖2a1和a2所示）；在右旋圓偏振（RCP）波入射下，產(chǎn)生的渦旋光束的拓?fù)浜呻S著傳播距離從l = +1演化到l  = -1（如圖2a3和a4所示）。計(jì)算的模式純度隨傳播距離的演化同樣證實(shí)了這一現(xiàn)象（如圖2b所示）。

圖2 產(chǎn)生渦旋光束的拓?fù)浜煽v向演化的表征

（2）矢量渦旋光束偏振態(tài)的縱向演化

通過將產(chǎn)生多個(gè)渦旋態(tài)的相位賦予超表面，并操縱左右旋圓偏振間的相位差，設(shè)計(jì)了一種能夠產(chǎn)生的矢量渦旋態(tài)從一階徑向偏振往二階徑向偏振演化的超表面（如圖3）?？梢酝ㄟ^觀察不同入射和出射偏振下的光強(qiáng)分布和仿真的偏振分布識別出相應(yīng)場的偏振態(tài)。

圖3 產(chǎn)生矢量渦旋光束的偏振態(tài)縱向演化的表征

總結(jié)與展望 

本文展示了利用全介質(zhì)超表面平臺產(chǎn)生縱向變化的矢量渦旋光束。通過充分利用傳輸相位和幾何相位兩個(gè)自由度，將兩束不同焦距的長焦深渦旋光束集成到兩種正交的圓偏振態(tài)。通過改變監(jiān)測距離，觀測到縱向變化的矢量渦旋光束。雖然提出的方案是在太赫茲波段被驗(yàn)證，它同樣適用于其他波長，包括可見光和微波范圍。所提出的超表面策略可以應(yīng)用于從粒子操控和偏振光學(xué)。

文章鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202200236 

Creating longitudinally varying vector vortex beams with an all-dielectric metasurface, Laser & Photonics Reviews, 2022, 202200236.