四川大学林佑昇课题组AOM：基于公转相位的涡旋光超表面聚焦动态调控机制研究

Wiley

2025-07-04

研究背景

涡旋光是一种携带轨道角动量的特殊光束，其螺旋状波前和独特的相位分布使其在多个领域展现出重要价值。这种光束在光通信中能够通过不同拓扑荷数实现信息的多通道传输；在光学操控领域可用于精确操纵微粒；在量子信息领域则能作为高维量子比特载体。通过聚焦涡旋光，可以显著增强其局域场强和相位梯度特性，从而在超分辨成像方面突破传统衍射极限，在微纳加工中实现环形光斑的精密刻蚀，并能在高强度条件下激发非线性光学效应。这些特性使涡旋光成为现代光学研究中极具潜力的工具，为微尺度操控和高维信息处理开辟了新途径。然而，在大多数超表面生成涡旋光的研究中，实现涡旋光调谐的方式仍停留在改变入射光圆偏振手性实现相位切换。同时聚焦涡旋光中的焦距调谐将为涡旋光在纵向提供新的自由度。因此，探索聚焦涡旋光动态调控的机制与方法具有重要的科学研究意义和工程应用价值。

文章简介

四川大学林佑昇课题组与中山大学合作提出了一种基于同心旋转圆环衬底的公转相位，为各个圆环独立旋转一定角度时所提供的与角动量转换中的拓扑电荷数与入射光圆偏振手性相关的额外相位，可在圆偏振复用时赋予不同偏振耦合程度不同的动态调谐能力。该设计基于地球公转影响自转思想，在圆环中心“公转”时，其上的相位结构同步发生“自转”而导致其朝向与空间位置的改变，从而在圆环上提供一个与旋转角度相关的整体额外相位。利用聚焦涡旋光中，螺旋相位只与环向相位梯度相关，聚焦相位只与纵向梯度相关，实现保持螺旋相位波前调控不受影响的同时，改变聚焦相位对应的焦距大小。基于公转相位的拓扑敏感性，探索了左旋圆偏光（LCP）和右旋圆偏光（RCP）线性相位关系的三种耦合程度的焦距调谐模式：第一种模式去解耦调谐：保持RCP入射的焦距稳定在12毫米的同时，使LCP入射的焦距在11.9至22.4毫米范围内可调；第二种模式实现强耦合调控，使RCP和LCP入射的焦距同步从12.0毫米增大至22.8毫米；第三种模式则实现弱耦合调控，使RCP入射的焦距在8.4增大至13.4毫米且LCP入射的焦距同步在11.8至22.4毫米范围内的动态调谐。

图文介绍

图1. (a)所提出的基于同心旋转圆环衬底超表面示意图、(b)硅柱相位结构示意图以及(c)圆环旋转调谐过程示意图。 在lx 和 ly 从45μm到100μm时，(d)入射光在XLP模式下入射的传输相位(e) 入射光在XLP模式和YLP模式下的绝对传输相位差。

图 2 (a) 仿真的焦距值、FWHM值、TDL值随着目标焦距的变化的曲线。(b)随着目标焦距的变化，不同的旋转圆环需要旋转的度数。(c) Strehl ratio值和NA值随着目标焦距变化的曲线。 (d) x-z和x-y焦平面归一化电场强度分布。

图3 (a) 实验设置示意图。 焦距(b) 20 μm (d) 30 μm 的制成超透镜的光学显微镜。 白色虚线框(c) 和 (f) 以及黑色虚线框(d)和(g)的SEM照片。 (b)和(e)的超透镜分别对应(h) 和(i)的缝孔成像照片。

图 4 拓扑电荷数为(a)-4，(b)-1, (c)1, (d)4的超表面的透射光相位分布。维持焦距为12mm时，不同拓扑电荷数的x-z焦平面和x-y平面归一化电场强度分布图。维持拓扑电荷数-2时，不同焦距的x-z焦平面和x-y平面归一化电场强度分布图。

图5 设置不同的目标FLCP值时，入射光分别在LCP模式和RCP模式下的(a)仿真焦距及(b)涡旋圆环的半径。入射光在(c)LCP模式下和(d)RCP模式下出射光的相位分布。入射光在(e) LCP模式下和(f)RCP模式下的超表面的x-z焦平面和x-y平面归一化电场强度分布图。

图6 设置不同的目标焦距值时，入射光在(a)LCP模式下的仿真焦距和涡旋圆环半径和(b)RCP模式下的仿真焦距、FWHM值和TDL值。入射光在(c)LCP模式下和(d)RCP模式下出射光的相位分布。入射光在(e) LCP模式下和(f)RCP模式下的超表面的x-z焦平面和x-y平面归一化电场强度分布图。

图. 7 设置不同的目标焦距值时，入射光在(a)LCP模式下的仿真焦距和涡旋圆环半径和(b)RCP模式下的仿真焦距、FWHM值和TDL值。入射光在(c) LCP模式下和(d)RCP模式下的超表面的x-z焦平面和x-y平面归一化电场强度分布图。

图 8 (a) 拓扑电荷数为0且在不同的最大转动角度下可获取的FLCP 最大值与原初FLCP的变化曲线。(b) 在最大转动角度为10度可获取的FRCP 最大值随着不同的原初FRCP的变化曲线(c)从原初FLCP为12mm时在不同拓扑电荷数下转动到不同目标焦距时所需要的最大角度 Δθr 曲线。

图 9 在超表面的孔径发生变化时入射光在(a)LCP模式下和(b)RCP模式下在x-z 平面和x-y平面的归一化电场强度分布图。

结论与展望

团队提出了一种创新的"公转相位"超表面调控机制，通过使相位单元像行星般在轨道上自转的同时绕超表面中心公转，实现了对圆偏振光的拓扑敏感调控。该设计展现出优异的聚焦能力（斯特列尔比>0.8@12mm焦距）和涡旋光束生成功能，其核心优势在于相位偏移过程中表现出的拓扑敏感性，使得左旋(LCP)和右旋(RCP)圆偏振光的相位调控呈现任意线性关系。研究探讨了两种线性关系实现方案：固定RCP焦距(12mm)同时调节LCP焦距(11.9-22.4mm)，以及双偏振可调焦距模式(12.0-22.8mm)。通过分析机械性能（自由公转角范围）与光学特性（焦距调谐范围、拓扑荷数）的关系，发现增大拓扑荷数可降低旋转环结构的机械要求。针对高拓扑荷涡旋光束生成时的中心失配问题，提出了光学稀疏孔径补偿方法。这种基于动量调控原理的公转相位机制，为光学操控、无线通信和信息加密等涡旋光束应用领域开辟了新途径，显著拓展了超表面的功能边界。

期刊简介

Advanced Optical Materials是一个国际性的、跨学科的论坛，针对材料科学的同行评审论文，重点关注光-物质相互作用的各个方面。致力于光子学、等离子体、超材料等领域的突破性发现和基础研究。