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導讀

近日，天津大學姚建銓院士課題組與首都師范大學張巖教授課題組合作報道了一種通用的全介質超表面平臺，可以在太赫茲波段產生縱向變化的矢量渦旋光束。作為概念證明演示，表征了一系列產生渦旋光束拓撲荷演化和矢量渦旋光束的矢量偏振態演化的超表面。實驗與仿真結果充分驗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。相關成果以“Creating longitudinally varying vector vortex beams with an all-dielectric metasurface”為題發表于Laser & Photonics Reviews上。天津大學鄭程龍博士為該項工作的第一作者，天津大學張雅婷副教授、姚建銓院士和首都師范大學張巖教授為論文的通訊作者。本工作得到了包括國家重點研發計劃和國家自然科學基金等項目資助。

研究背景

攜帶有軌道角動量的電磁波稱為渦旋波，具有螺旋狀的相位結構和甜甜圈狀的強度分布。由于具有不同拓撲荷的渦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用價值。除此之外，渦旋光束還被廣泛應用于捕獲和旋轉微粒、量子信息、超分辨成像等領域。

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，也是當前的研究熱點。其獨特的偏振分布引起了其在光學捕獲、超分辨顯微、激光加工方面的工程應用。軸向雙折射元件、空間變化延遲器、超表面等都可以用來產生矢量光束。同時具有非均勻的偏振態和攜帶軌道角動量的光束稱為矢量渦旋光束。

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

亮點 

圖1 可產生縱向變化的矢量渦旋光束的全介質超表面示意圖。

（1）渦旋光束拓撲荷縱向演化

首先展示了該超表面器件產生縱向變化的渦旋光束的能力。在左旋圓偏振（LCP）波入射下，產生的渦旋光束的拓撲荷隨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，產生的渦旋光束的拓撲荷隨著傳播距離從l = +1演化到l  = -1（如圖2a3和a4所示）。計算的模式純度隨傳播距離的演化同樣證實了這一現象（如圖2b所示）。

圖2 產生渦旋光束的拓撲荷縱向演化的表征

（2）矢量渦旋光束偏振態的縱向演化

通過將產生多個渦旋態的相位賦予超表面，并操縱左右旋圓偏振間的相位差，設計了一種能夠產生的矢量渦旋態從一階徑向偏振往二階徑向偏振演化的超表面（如圖3）。可以通過觀察不同入射和出射偏振下的光強分布和仿真的偏振分布識別出相應場的偏振態。

圖3 產生矢量渦旋光束的偏振態縱向演化的表征

總結與展望 

本文展示了利用全介質超表面平臺產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。通過改變監測距離，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用于從粒子操控和偏振光學。

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.