基于超构表面的复杂矢量光场调控
发布时间: 2021-05-06     文章作者:     访问次数: 54

撰稿:王冬逸,刘通(复旦大学)

1基于超构表面的复杂矢量光场调控

1. 导读

近年来,矢量光场,即具有可任意设计的波前和偏振态分布的光场,因其相较于均匀标量场具有更大的调控自由度和更广阔的应用前景,而引起了国内外科学家的广泛关注。然而,基于传统光学器件产生矢量光场的方法往往具有体系庞杂或功能局限等弊端,这也极大限制其在集成光学中应用前景。因此,如何利用新兴的光学技术和材料(如超构表面),在亚波长厚度的平面光学体系中,实现具有任意波前和局域偏振态分布的矢量光场具有非常重要的科学研究价值和实际应用前景。

针对这一问题,近日复旦大学周磊教授团队在Light: Science & Applications发表最新文章,提出了一套全新且普适的超构表面设计方法,利用超构表面中位置依赖的全矩阵相位调制高效实现了任意设计的复杂矢量光场(见图1),并进行了一系列实验验证。团队在理论模型分析和数值仿真模拟基础上,在近红外波段实验实现了均匀波前可控的高效偏振态转化和同时具有涡旋特性和复杂局域偏振态的复杂远场与近场矢量光场。所有近红外波段实验结果均与理论预期非常吻合,这也充分证明了该设计方法的有效性。

在此基础上,团队在Nanophotonics上发表最新文章,进一步探究并提出了一套普适的复合超构表面设计方法,通过对超构表面中偏振依赖和偏振无关两种不同的相位机制的调制,高效实现了任意设计且功能解锁的双功能复杂矢量光场(见图2

2基于复合超构表面的双功能矢量光场

该研究成果不仅为实现复杂的矢量光场提供了清晰的理论和设计指导,还基于超构表面开辟了一条在超薄体系中高效产生任意可控的复杂矢量光场的新途径,为未来矢量光场在量子信息存储、高分辨成像、生命科学等领域的研究与应用打开了新思路。

2. 研究背景

具有特定波前和空间偏振态分布的矢量光场因其具有不同于传统标量光场的独特性质,而广泛被应用于超分辨成像,光操控等诸多领域。然而基于传统光学系统(如螺旋相位波带片,空间光调制器)实现复杂矢量光场,往往需要比较厚重的光学器件和复杂的光学系统。其根本原因是由于传统自然材料在光波段只具备电响应,且其介电常数的取值范围也非常有限。因此,基于自然材料构建的传统光学器件只能依赖材料厚度积累一定的传播相位来实现相应的功能性调控。另外,要实现更为复杂的多功能矢量光场调控,需要同时实现对波前和局域偏振态分布的调控,这也使得光学系统变得更为复杂、厚重而且低效。

近年来,超构表面,这类由平面型“人工原子”按特定宏观排列方式构建而成的准二维超构材料,具有体系超薄、调控自由度大、损耗低、可共形制备、易集成等独特优势,实现一系列奇异光场操控现象和功能强大的平面光学器件。超构表面研究也成为了微纳光子学和超构材料领域的研究热点。国内外科学家基于超构表面也成功实现了一些不同功能的复杂矢量光场调控,如多通道矢量光全息,偏振依赖矢量光聚焦等。然而,基于超构表面的矢量光场调控多仅局限于远场调控,且实现的局域偏振态分布相对简单且种类有限,如径向线偏等。另外,科学家们面临的另外一个重大挑战是如何实现复杂矢量光场的近场的高效调控。同时,在实际应用中,往往需要功能解锁且可自由切换的双功能/多功能器件,然而大多工作仍然聚焦于单一功能矢量光场的实现,涉及双功能与多功能的工作也往往功能有限且无法解锁。

3. 创新研究

针对上述挑战,研究人员从反射式非均匀超构表面出发,提出了一套普适的实现具有特殊波前和任意局域偏振状态分布的复杂矢量光场的新方法。基于严格的琼斯矩阵法分析,他们发现通过局域且有效地控制超构表面的反射波相位和局域自旋状态(即偏振状态),就可以实现可控波前和局域偏振状态分布的任意矢量光场(见图1)。研究人员首先基于理论模型计算展示了一个理想超构表面如何将一正入射的左旋圆偏振光转化成为具有一定发散性波前和角向依赖的偏振状态分布且带有一定轨道角动量的复杂矢量光束(见图3)。基于格林函数方法的解析计算结果与理论预言的完美吻合证明了该设计方法的可行性。从图3中反射波的偏振状态与传播距离的分布结果中可以看出,该体系产生的复杂矢量光场在远场传播过程中具有很好的保真性。

随后,研究人员利用金属-介质-金属(MIM)的反射式超构表面设计,充分利用人工原子的几何构型自由度来调制局域位置的各向异性和反射相位,从而实现对局域偏振态与波前的调控,最终实现任意的远场矢量光场。在完整的理论指导下,团队在近红外波段实验实现了在均匀左旋圆偏振激励下的复杂远场矢量光场调控。从图4 的实验结果图中可以看出,该系统实现的矢量光场在具有一阶涡旋特性的波前分布的同时,其偏振状态呈现为椭偏度沿圆周不断变化的复杂局域态分布。

3.基于超构表面模型实现复杂矢量光场的解析计算结果

4近红外复杂远场矢量光场的产生与实验表征结果

研究团队在相同的理论指导下进一步实现了近场复杂矢量光场,验证了该矢量光场调控方案的普适性。同样在左旋圆偏光激励下,团队在近红外波段实验上实现了带涡旋且偏振态为沿径向线偏的表面波,并详细表征了其涡旋性质、偏振性质和耦合效率。实验结果均与理论及模拟预期吻合良好。

5近红外复杂近场矢量光场的产生与实验表征

最后,研究团队对相关理论进行了进一步拓展,实现了具有任意波前和局域偏振态分布的双功能矢量光场。通过设计偏振依赖的几何相位和偏振无关的结构共振相位实现双功能解锁,分别设计左右旋入射下超表面相位分布(如图2)来实现波前功能解锁;同时利用局域各向异性调制局域偏振态,同样先基于格林函数方法的解析计算并验证了理论预言,并进一步了进行实验验证。团队基于MIM的反射式超构表面设计,在近红外波段实验实现了超越柱面偏振态分布的双功能涡旋复杂矢量光场在左右旋圆偏振光激励下,实现了分别带+3-1阶涡旋且偏振态为沿复杂线偏双功能矢量光场。如图6所示,实验表征的矢量光场的涡旋性质与偏振性质与理论及数值计算完美吻合。

6双功能涡旋复杂矢量光场的产生与实验表征

4. 应用与展望

研究团队提出的基于超构表面产生复杂矢量光场的新方法,是一种普适、高效、功能广泛的方法,通过充分利用体系自由度,调制位置依赖的全矩阵相位,真正实现远场和近场的任意矢量光场;基于复合超构表面产生双功能矢量光场的方法,则通过充分利用两种机制的相位与局域各向异性,实现了功能解锁且具有非均匀局域偏振态的双功能矢量光场。这两种普适方法均可在未来被拓展到任意波段、透射体系、斜入射体系、非均匀振幅体系和任意入射偏振体系等等,产生的矢量光场在多通道通信,近场传感,光镊和超分辨率成象等领域都有广阔的应用前景。

这一系列研究成果分别以“Efficient Generations of Complex Vectorial Optical Fields with Metasurfaces”和“High-efficiency metadevices for bifunctional generations of vectorial optical fields”为题发表在Light: Science & ApplicationsNanophotonics杂志上。在前一文章中,Dongyi Wang, Feifei Liu, Tong Liu为该文共同第一作者,Shulin Sun, Qiong HeLei Zhou教授为共同通讯作者;在后一篇中Dongyi Wang, Tong Liu, Yuejiao Zhou为为共同第一作者,Qiong HeLei Zhou教授为共同通讯作者。周磊教授团队隶属于复旦大学应用表面物理国家重点实验室。



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