罗先刚院士：光学超构表面中的经典和广义几何相位 | Photonics Insights创刊号综述

几何相位的早期应用出现在微波频段。早在1947年，Fox提出利用旋转的波片实现微波移相器。1956 年，印度拉曼研究所 Pancharatnam 教授发现光波在偏振态转化过程中会产生一个额外的相位，其值等于演变路径测地线所围闭合环路立体角的一半。1997年，Bhandari对经典的几何相位进行了系统的总结。2001年，Hasman等人通过使用空间旋转的金属亚波长光栅来研究空间域中的PB相位。随后的研究结果表明经典光学理论体系下的PB相位源自于光子的自旋-轨道相互作用（PSOI），引起几何相位的研究热潮。

随着先进制造技术的发展，例如，激光直写、电子束光刻和聚焦离子束等微纳加工技术，PB相位的单元结构向亚波长尺度深入。在光波段，传统大像素尺寸的周期光栅或环形槽逐渐被各向异性等离子体纳米天线或介质纳米柱替代，相应的超构表面被称为“几何相位超构表面”。

几何相位超构表面的优势在于结构简单，无需改变结构参数仅通过空间朝向的改变即可实现0~2π范围内的相位变化，且具有波长无关的特性，因此在过去十年中获得了快速的发展（图1），形成了系列光束产生、偏振转换、平面透镜、全息显示等功能器件。

中国科学院光电技术研究所罗先刚院士领衔的团队总结了几何相位超构表面在克服上述三方面难题上的最新研究进展。

目前，悬链线及其变形结构已经被用于各种几何相位超构表面器件和系统，包括电磁偏折器、平面透镜、涡旋光束和聚焦涡旋光束产生器件、高阶贝塞尔光束产生器件、自加速光束产生器、平面广角成像系统(图3)等。悬链线光学器件被认为有望成为下一代集成光子学的核心。

随后，该团队提出非对称 PSOI 的概念，通过空间朝向和结构尺寸均变化的介质纳米柱复合自旋相关的几何相位和自旋无关的传输相位，实现对左右旋圆偏振光的任意独立调控。这意味着空分复用几何相位超构表面面临的效率低、噪声大等瓶颈难题得以解决，同时由于其丰富的光场调控维度也为多功能器件、复杂光场调控等应用打开新篇章，包括偏振成像、自旋角动量和轨道角动量的同时检测、多态复用全息显示、三维矢量光场产生、单片式的边缘检测等，如图4所示。

综述还介绍了未来一些有趣的研究方向，例如，非线性几何相位与晶格失配的结合产生高阶几何相位、基于高阶几何相位的动态可重构超构表面以及融合高阶PB相位与传播相位的多功能超构表面等，期望能够为该领域的研究人员提供新的视角认识几何相位。