OEE | 超表面实现复杂矢量涡旋光束的研究进展【中国计量大学井绪峰教授团队】
中国计量大学井绪峰教授在《光电工程》“超表面光场调控”专题发表了综述文章，针对产生矢量涡旋光束超表面的材料进行分类，介绍了金属超表面、全介质超表面和智能超表面在矢量涡旋光束生成和调控方面的研究进展。
文章 | 柯岚，章思梦，李晨霞，等. 超表面实现复杂矢量涡旋光束的研究进展[J]. 光电工程，2023，50(8): 230117.
第一作者：柯岚
通信作者：井绪峰
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概述
超表面是由微纳结构排列而成的二维器件，是超材料的平面化，可以通过精确地调控结构来控制光的传播和相位。相比于传统的三维结构，超表面具有体积更小、制备更容易、控制更精准的优势。它通常为亚波长结构，可以广泛应用于光电子学、量子光学、光子学等领域。超表面不仅能够实现高效的折射、反射和透射，还可以实现精确的相位调控、拓宽波束角度等功能。此外，超表面还可以有效地抑制杂散光的干扰，实现更高质量的光学成像和传输。最近，超表面已经被广泛应用于多种光学器件的设计制备，如透镜、偏振器、色散器、光学互联器、光学传感器等，推动了光学技术的快速发展。
矢量光场是指同一时间在同一波振动面上的不同位置具有不同偏振态的光场，在空间分布上具有非均匀偏振态分布。与标量光场不同，其光束横截面上的偏振态会随空间位置变化而变化。除了在局部区域内包含线偏振，矢量光场还可以包含圆偏振和椭圆偏振，基本光束的偏振度变化使得矢量光场的描述更加复杂。除偏振特性外，螺旋相位的引入会为矢量光束带来更多复杂且有趣的特性。
传统光学生成矢量光束的方式光路较为复杂，并且需要较多的光学元件。将矢量光场与超表面进行结合，利用超表面小型化、易于集成的优点方便灵活地生成具有不同特性的矢量光束，具有非常广阔的应用前景。因此本文主要从材料和设计方法角度出发，探讨介质型超表面、金属型超表面以及智能超表面在生成不同模式矢量光场的发展情况。
关键进展
中国计量大学井绪峰教授所带领的研究团队受邀在《光电工程》2023年第50卷第8期上发表了题为“超表面实现复杂矢量涡旋光束的研究进展”的综述文章。该综述针对产生矢量涡旋光束超表面的材料进行分类，介绍了金属超表面、全介质超表面和智能超表面在矢量涡旋光束生成和调控方面的研究进展。详细阐述了超表面利用不同相位理论对入射波前调制的原理和超表面生成的不同矢量涡旋光束的特性，并探讨了这两者之间的联系。此外，该综述还总结了利用超表面代替传统光学器件生成矢量涡旋光束的优势，并展望了未来利用不同材料的超表面进行矢量光场调控研究方面的挑战和可能性。
图1 不同超表面实现复杂矢量光
全介质超表面是指使用介质材料构成的超表面结构，常常使用全硅材料、压电材料、各向异性材料等构成。金属型超表面在高频段会存在较大的吸收损耗，而介质型超表面可以通过选择低损耗的材料来降低能量损耗，提高能量利用率。
金属超表面是由具有亚波长尺寸的二维金属单元构成的平面结构，具有可调制的光学特性。它们被广泛应用于光学设备、传感器、信息显示和通信等领域。通常，金属超表面的单元是由金属(例如银、铝、金等)制成，并沿着一个平面排列。每个单元的大小通常小于光波长，因此可以被当作一个整体来处理，其表现形式与整个表面的光学反应相关。
智能超表面是一种基于微结构和可编程元件的超表面，它可以根据需要对电磁波进行复杂的、高精度的调控。根据调控方式的不同，智能超表面也可以被称为可重构超表面、可调谐超表面或可编程超表面。可编程超表面的核心是可重构元件技术，它是可编程超表面的实现基础，亚波长电磁结构材料的电磁特性主要由结构的电磁响应决定，在单元结构中加载可调的电子元器件或者介电材料，包括MEMS器件、液晶器件、电磁器件、光学器件等多种可编程元件，可以实现分别控制可编程超表面单元中微结构的不同状态。
总结与展望
文章中提及的各种材料超表面均体现出了灵活性、高效性和紧凑性。超表面可以通过设计其微结构来实现对矢量光场的精确控制，可以通过调整超表面的结构参数来实现特定的光学功能。
现有的研究更多集中在功能的集成而非效率的提升上，在未来的研究中，可以考虑使用其他复合材料或新材料来提高传输效率，并且针对不同的使用场景对材料进行优化，可以提高超表面的普适性。以高传输效率的超表面进行级联可以赋予超表面更多的功能，这对于替换现有传统光路意义重大。同时利用新型的制造技术，如3D打印技术也可以为超表面的制备注入新的力量，制造技术的进步会带动研究的发展。目前，可调谐超表面的研究也为动态调控超表面功能提供了新的思路，不同的调谐方式，如温控、电控等设计可以在空间变化的基础上引入时间的变化，时变相位可以使矢量光场的研究更进一步，如时空涡旋光的生成等。因此，利用超表面进行复杂矢量光束的研究仍然有深入探索的空间。
该研究受到了国家自然科学基金（62175224），浙江省自然科学基金重点项目（LZ21A040003）和浙江省自然科学基金一般项目（LY22F050001）的支持。
研究团队简介
井绪峰教授团队主要研究方向包括超材料、超表面、微纳光子学、光电器件、光学薄膜、太赫兹波、微波通讯、编码超材料超表面等。该团队由3名教授、5名副教授及多名青年教师组成，围绕光电器件、光电材料、光电传感等方向开展基础和应用研究。在 Nanophotonics, ACS Applied Materials & Interfaces, Photonics Research, Optics Letters, Carbon, Journal of LighTWave Technology 等本领域学术期刊上发表研究论文 150 余篇。获得国家自然科学基金面上项目、浙江省自然科学基金重点项目、国家重点研发计划等项目支持。获得中国计量测试学会一等奖。
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