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灵活操控贝塞尔光束:为大容量光通信与高精度无损成像提供新契机

本文为中国激光第2798篇。
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Photonics Research 2023年第1期封面文章:
灵活操控贝塞尔光束:为大容量光通信与高精度无损成像提供新契机
Guocui Wang, Tian Zhou, Jianzhou Huang, Xinke Wang, Bin Hu and Yan Zhang. Moiré meta-device for flexibly controlled Bessel beam generation[J]. Photonics Research, 2023, 11(1):100

 

贝塞尔光束是一种特殊的无衍射光束,具有中心光斑小、传播过程中受到干扰后可自愈的特性。此外,高阶贝塞尔光束还具备携带不同轨道角动量(也称拓扑荷数)的能力。太赫兹波介于微波和红外光之间,具有超大带宽频谱和极低光子能量的特点,在高速通信、无损检测等领域有着巨大的应用价值。因此,制造太赫兹贝塞尔光束,并实现对其阶数和无衍射距离等特性的灵活操控,对增大通信容量、提高成像精度具有极其重要的意义。

 

然而,由于太赫兹波长较长,轴棱锥或环形狭缝等传统贝塞尔光束生成器件尺寸偏大,不利于系统小型化。相比之下,超薄二维形态的超构表面具有全方位调控电磁波特性的能力,是生成及操控贝塞尔光束的有效途径。然而,现有器件大多仅实现了0阶贝塞尔光束的生成,高阶贝塞尔光束的生成及灵活操控鲜有研究。

为解决上述问题并实现此特殊光束的生成及动态操控,首都师范大学张岩团队与北京理工大学胡滨团队组合作,设计了可灵活操控太赫兹贝塞尔光束阶数及无衍射距离的莫尔超构表面。该器件由两层超构表面级联而成,当两层超构表面相对旋转时,可连续产生具有不同阶数的太赫兹贝塞尔光束,实现无衍射距离的大范围调制。相关研究成果发表于Photonics Research 2023年第1期。

该工作将涡旋相位板和轴棱锥的功能同时集成到莫尔结构中,在莫尔结构中的两个超构表面上分别赋予特定的相位调制,实现了太赫兹贝塞尔光束的生成及调控。如图1所示,器件由两层介质超构表面构成,其中不同直径的硅圆柱负责调制入射太赫兹平面波的相位。当两层超构表面相对旋转时,在器件出射端就可以得到具有不同阶数的贝塞尔光束。

灵活操控贝塞尔光束:为大容量光通信与高精度无损成像提供新契机
图1 莫尔超构表面的构成及其对贝塞尔光束阶数调控的工作原理

利用自行搭建的太赫兹焦平面成像系统对器件功能进行表征,贝塞尔光束阶数调控的表征结果如图2所示。其中,相位分布中的2π周期数目表示贝塞尔光束的阶数。可以看出,随着相对旋转角度从0°增加到80°,生成的贝塞尔光束从0阶增加至4阶。

灵活操控贝塞尔光束:为大容量光通信与高精度无损成像提供新契机
图2 贝塞尔光束阶数调控的表征;(a)、(b)实验测得的光场及相位;(c)、(d)模拟得到的光场及相位

如图3所示,通过更改两层超构表面的相位分布,得到了对贝塞尔光束无衍射区域长度进行调控的莫尔超构器件。以0阶贝塞尔光束为例,研究了两层超构表面的相对旋转角度变化对贝塞尔光束无衍射区域长度的影响。如图3所示,当相对旋转角度从15°增加到60°时,贝塞尔光束无衍射区域的长度从77 mm减小至10 mm。该器件的提出将进一步推进太赫兹功能器件的发展。

灵活操控贝塞尔光束:为大容量光通信与高精度无损成像提供新契机
图3 贝塞尔光束无衍射区域长度调控的结果表征

胡滨教授表示:“莫尔超构表面是一种新型的动态超构表面器件,是实现可调及多功能器件设计的新途径。这项工作通过巧妙的设计,不仅实现了0阶及高阶贝塞尔光束的生成,而且还对光束的阶数及无衍射区域等特性进行了连续动态调控,这为增大通信容量,提高成像精度提供了新的契机。”

作者简介

 

汪国崔

 

北京理工大学

主要研究方向:太赫兹动态调控超构表面器件

汪国崔,北京理工大学光电学院在读博士。2014年以联合培养形式取得青海师范大学与首都师范大学学士学位,2017年取得首都师范大学光学工程硕士学位。长期从事超构表面器件相关研究工作,主要研究方向为太赫兹动态调控超构表面器件。以第一作者、共同第一作者发表期刊论文10篇,合作发表文章20余篇。

胡滨

 

北京理工大学

主要研究方向:基于表面等离子体和超材料的超分辨成像

胡滨,北京理工大学光电学院长聘副教授,博士生导师。主要研究方向为衍射光学及信息光学。2010年在中国科学院微电子所获博士学位,2010至2013年在新加坡南洋理工大学从事博士后研究,2013年全职进入北京理工大学光电学院工作,并入选教育部新世纪人才,所在学科为光学工程。研究涉及基于表面等离子体和超材料的超分辨成像,基于二维材料的太赫兹波前调制器件,激光诱导石墨烯,全矢量衍射算法等领域。主讲研究生《高等光学》、《近代信息光学及新型应用》,本科生《物理光学》等课程。发表学术论文50余篇,出版教材1部,担任《光学技术》期刊责任编辑。

张岩

 

首都师范大学

主要研究方向:基于表面等离子体和超材料的超分辨成像

张岩,首都师范大学物理系教授,博士生导师。1994年于哈尔滨工业大学获学士学位,1999年于中科院物理所获博士学位。先后在日本山形大学,香港理工大学,德国斯图加特大学从事博士后研究,2003年进入首都师范大学工作。主要研究太赫兹波谱与成像,超构表面和光信息处理。以第一或通迅作者在物理、光电子学和材料类期刊发表学术论文300余篇,入选美国光学学会会士,荣获中国产学研创新成果奖。

科学编辑 | 首都师范大学 张岩

 

编辑 | 木拉提·满苏尔
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1、Rui Feng, Badreddine Ratni, Jianjia Yi, Hailin Zhang, André de Lustrac, Shah Nawaz Burokur. Versatile metasurface platform for electromagnetic wave tailoring[J]. Photonics Research, 2021, 9(9): 1650

 

2、Ying She, Chen Ji, Cheng Huang, Zuojun Zhang, Jianming Liao, Jiangyu Wang, Xiangang Luo. Intelligent reconfigurable metasurface for self-adaptively electromagnetic functionality switching[J]. Photonics Research, 2022, 10(3): 769

3、Mingyang Geng, Xiaolu Yang, Hao Chen, Xinzhi Bo, Mengzi Li, Zhenguo Liu, Weibing Lu. Optically transparent graphene-based cognitive metasurface for adaptive frequency manipulation[J]. Photonics Research, 2023, 11(1): 129

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