多维超构光场空域调控新进展——随传播变形状

Tianyue Li, Yun Chen, Boyan Fu, Mengjiao Liu, Jinwen Wang, Hong Gao, Shuming Wang, Shining Zhu, Spin-Selective Trifunctional Metasurfaces for Deforming Versatile Nondiffractive Beams along the Optical Trajectory. Laser & Photonics Reviews 18: 2301372 (2024).

衍射是自然界中广泛存在的波动现象。在光束传播的过程中，衍射效应导致光束逐渐扩散，就像高斯光束一样，在自由传播时逐渐变得宽广，这制约了能量的定向传输和有效信息的传递。因此，人们渴望找到方法抑制这种能量扩散的过程，即使只能在一定范围内保持其形状。1987年，Durnin等人实现了Bessel光束——一种波动方程的特殊解形式。这是人类首次创造出一种不会发生衍射的光束。直到1979年，Berry等人在研究量子力学的薛定谔方程时，预测了一种特殊的不会发散的光束——Airy光束。这种光束在自由空间中具有自我加速和自我转弯的独特性质，是一维体系中具有非平凡解的无衍射光束。由于其复杂的相位和振幅条件，直到2007年才在实验上实现。Airy光束的发现为在没有受到任何结构束缚的情况下自由操控光的能量路径提供了新的可能性，且其自我弯曲、自我加速、无衍射、抗干扰等特性在通讯等领域具有重要的研究前景，因此一经实现就引起了广泛关注。此外，无衍射光束还包括马丢光束、蛇形光束、余弦光束等，在近十年来激发了人们对其不断增长的研究热情，也推动了一些新的光场产生方法的发展，甚至在电子和等离子体领域也成功实现了这种特殊的光束。

然而，以往采用锥透镜、空间光调制器等较为庞大的光学设备或器件所产生的无衍射光束，其分辨率通常局限于微米级且一次性编码相位只能产生一种光场。要想实现多功能复用功能，或者构建矢量光场，需要解构编码的相位，在二维平面内经过偏振片等元件再合束。这限制了它们在体积小巧、功能多样的关键光学元件中的应用。然而，随着超构表面技术的崛起，这一格局正在发生根本性的变化。超构表面技术利用在衬底上精密布置的纳米级天线阵列，为光学器件的小型化带来了全新的可能性。通过这项技术，光学元件不仅变得更轻巧，而且还能够通过双折射效应实现光场的多维度调控。这意味着可以在同一装置上生成各种携带不同轨道角动量的涡旋光场、独立阶数的Bessel光束和任意轨迹的Airy光束。这种技术不仅被视为下一代光子集成平台的关键技术，也为光学器件的进一步发展开辟了广阔的前景。尽管超构表面一旦制备便无法改变，无法重构，但通过利用光子的固有属性，如偏振和频率，来调控结构化光束仍然十分重要。与此同时，利用光在传播空间中的自由度进行控制也显示出其巨大潜力。研究人员通过改变光轴的传播方向来调节涡旋光的拓扑荷数，并在两个偏振通道中实现轨道角动量的独立转换。这种技术被称为TAM-plate，其应用前景十分广阔。然而，这一研究领域也面临新的挑战。例如，如何在传播过程中实现各类非衍射光束的转换，并为它们赋予复杂的结构相位，仍然是一个待解决的难题。考虑到超构表面上编码的相位通常基于多元函数且存在类似的解析表达式，要完全按照人的意图控制焦距和光束沿光轴的结构展现出极大的挑战，复杂相位的融合依旧是一个难题，需要更深入的研究和技术创新。

最近，来自南京大学和西安交通大学的联合研究团队，对传播路径下对无衍射的超构光场进行重构，实现了自聚焦或自发散的，具有圆对称的Airy光束在传播后自然转变为Bessel光束的现象（图1a），这得益于他们提出的局域-全局相位联合调控机制——不仅能够进行光场的梯度扫描，还可以进一步对光场进行编码，实现更为复杂的无衍射光场的产生。研究者们首先通过分析超构表面的相位编码方式，将一个2D的问题拆解成了1D相位函数的积分和2D相位函数的叠加，如图1b所示。对于具体的内容可以以流程图的形式，如图1c所示。

研究人员通过理论分析与光线追踪示意技术，对这种光学领域的“变形金刚”进行了生动描绘，如图2所示。经过超构表面的调制，光线向不同方向散射，并最终会聚成一束清晰且弯曲的深色Airy光束。两个Airy光束在交叠区域发生强烈干涉，会自然形成一个极为显著的无衍射Bessel光场。

为了增强器件的功能，研究人员充分利用了双折射纳米天线的潜力，将其可利用的自旋自由度扩展到了3个。此外，他们还引入了一种能够携带更复杂的无衍射光场结构的技术，这包括图3所示的、具有量子化拓扑荷的轨道角动量光场以及阿基米德螺旋形状的螺旋光场。通过在空域上对无衍射结构进行变换，这种方法有效地将超表面上产生的光场数量翻倍至6种。

此外，研究人员还展示了一个极具应用价值的案例：即该超构表面设备对于制造缺陷的高度容忍性（如图4）。无论是在线缺陷、环形缺陷还是区域缺陷，超构表面都能够保持其功能的稳定性，这一点对于光刻机等关键设备尤为重要，展现了其卓越的耐用性。

总之，研究人员提出了局域与全局相位联合调控的新概念，为超构表面相位调控机制开辟了新的路径，代表了在空间域内对超构表面多维光场调控的重要进展。这不仅是在无衍射光利用和增强超表面多功能性方面的关键一步，也为先进的片上纳米光学平台的发展及创新制造技术的推广奠定了坚实的基础。