微型可调式艾里光束超构器件

艾里光束因其独特的性质（例如无衍射、自加速和自修复）而引发了广泛的研究兴趣。自被发现以来，人们对可调谐艾里光束的需求不断增加，相关研究一直在有序推进，其中包括光学操控和激光加工。光镊通常由紧聚焦的高斯光束实现，以产生光学梯度力，该力被用于将粒子限制在几微米的有限范围内，这主要是由于瑞利长度相对较短。相比之下，艾里光束通过对其传播轨迹的精确控制，能够沿着指定路径对空气或液体中的粒子进行光学操纵，并具备穿越障碍物的能力。这些光束还可以促进满足所需曲率的表面的加工，以增强激光制造的适应性。

产生艾里光束的方法一般涉及复杂且昂贵的光学器件，如复杂的光学透镜系统和空间光调制器（SLM）。这些技术提供了实现可调谐艾里光束的途径。通过调整柱面望远镜系统的倾斜角度，复杂的光学透镜系统能够生成可调谐艾里光束；SLM通过执行像素级相位变化来生成可调谐艾里光束。尽管这些方法在实现对艾里光束的一定程度控制方面具有优势，但每种方法都有相应的不足。复杂的光学装置在实现精确对准时难免会遇到困难；SLM则面临着转换效率低、分辨率有限以及与入射偏振和功率相关的限制等问题。由于采用了笨重的元件，这些技术也难以实现紧凑和集成的光学系统。

在这项工作中，香港城市大学的蔡定平教授和哈尔滨工业大学（深圳）的肖淑敏教授联合提出了一种新方法，利用双层全介质超构器件生成可调谐的艾里光束。该方法通过整合和旋转多种精心设计的相位面实现，包括立方相位和两个离轴菲涅尔透镜相位面。通过旋转这两个超表面来动态地操纵艾里光束的轨迹，详见图1。实验结果与理论预测的艾里光束的强度分布和传播轨迹高度吻合，验证了这一超构器件的可行性和灵活性。

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图2 超构器件的表征。 (a)纳米天线的光学特性。 当直径从 50 nm 变化到 113 nm 时，该相位可以包含完整的 2π 周期，所有选定的纳米天线的效率都超过 90%。 插图是纳米天线的示意图。 (b, e) 第一片 (b)和第二片(e)超表面的相位分布。（c，f）分别根据（b）和（e）中的相位分布所加工的超表面的光学显微镜照片。 (d, g)所测量的超表面的相位分布。比例尺：200 μm。相位分布使用上海复享光学的MetronLens 进行测量。(h) 超构器件的扫描电子显微镜 (SEM) 图像。 比例尺：100 μm。 (i) 超表面（蓝色方块）放大 SEM 图像。比例尺：0.5 μm。

图3超构器件的仿真和实验结果。(a)当两个超表面的旋转角度均为零时，两个超表面叠加时获得的相位。(b)当旋转角度设置为(a)时的仿真结果，(c)实验结果。(d)当旋转角度分别为-π/2和π/2时，两个超表面叠加时获得的相位。(e)旋转角度设置为(d)时的仿真结果，(f)实验结果。

图4超构器件的实验结果。(a)当改变超表面的旋转角度时艾里光束的不同焦点分布。理论上可实现的区域标记在两个虚线圆圈之间。(b)从图4(a)中选择的不同位置焦点的强度分布，并由相同颜色的方框表示。比例尺：20μm。

与传统的透镜组系统或空间光调制器相比，所展示的超构器件显著减少了操作复杂性和体积厚度。同时，它可以轻松转移到其他工作波段，而不受偏振或其他方面的限制。它具有小型化、易集成和易控制的优势，能够与其他光学设备兼容，在光镊、激光加工等应用中具有巨大潜力。该工作以“Miniature tunable Airy beam optical meta-device”为题作为封面文章发表在Opto-Electronic Advances（光电进展）2024年第2期。

研究团队简介

肖淑敏，哈尔滨工业大学（深圳）教授，国家杰青，Optica Fellow。研究团队主要从事微纳光学和光电芯片的研究。 近年来在国际刊物和会议上发表相关的优秀原创论文140余篇，其中Nature 2 篇、Nature Materials等40余篇，合著专著一部，多篇文章单篇他引超过200次。

哈尔滨工业大学（深圳）肖淑敏教授课题组

蔡定平，香港城市大学电机工程学系讲席教授，博士生导师，多年来致力于纳米光子学及光电物理领域前沿的实验与理论工作，积累了丰富的研究成果。在Science, Nature Nanotechnology, Physics Review Letters, Advanced Materials, Science Advances, Light: Science & Applications, Nature Communications, Nano Letters, Nano Energy等国际期刊发表论文共375篇、专书（或专书节章）及会议论文共65 篇、技术报告及其它论文共39篇、国内外（美国、加拿大、日本及德国）专利共45项（69个）。先后当选中国光学学会(COS)、美国科学促进会(AAAS)、美国物理学会(APS)、国际电子电机工程师学会(IEEE)、光学学会(Optica)、国际光电工程学会(SPIE)、电磁科学院(EMA)、日本应用物理学会(JSAP) 、和亚太人工智能学会(AAIA)的会士(Fellow)。也先后当选亚太材料科学院(APAM)院士、俄罗斯国际工程学院(IAE)院士和美国国家发明家科学院(NAI)院士。曾荣获四十多项荣誉与奖励，包括：2020年度和2018年度中国光学十大进展、2020年和2019年全球高被引科学家(Web of Science Group/ Clarivate Analytics)、2018年国际光电工程学会(SPIE)墨子奖，以及多届国际学术会议最佳论文奖。迄今在国际会议作过340余次特邀报告（包含30 场全体会议和 62 场主题演讲），是科学进展（Science Advances）的副编辑、光子学评论（Photonics Insights）及光：先进制造（Light: Advanced Manufacturing）的编辑，也担任12个国际期刊的编辑委员，多项国际知名期刊的文章审稿人。

香港城市大学蔡定平教授课题组

相关论文

Zhang Z, Li GY, Liu YL et al.Robust measurement of orbital angular momentum of a partially coherent vortex beam under amplitude and phase perturbations. Opto-Electron Sci 3, 240001 (2024).

DOI:10.29026/oes.2024.240001