导读
近日，北京理工大学黄玲玲教授团队与香港大学张霜教授团队、新加坡国立大学仇成伟教授团队合作，共同提出了一种全参量控制的三维矢量广义涡旋光束阵列设计方法，通过单片光学超表面实现包含三维空间阵列信息、偏振、相位、轨道角动量、光束形态等多维度光学自由度的光场调控。该项研究成果发表于Light: Science & Applications，题目为Full-parameter-modulated three-dimensional vectorial generalized vortex array。
超表面正以其卓越的性能和广泛的应用前景引领一场深刻的变革。超表面是一种二维的人造纳米天线阵列，通过精心设计其几何形状和排列方式，能够灵活地调控光波的相位、振幅、偏振、频率以及角谱等多维信息。与传统光学器件相比，超表面在大容量、多维度光信息联合调控方面具有显著的优势，能够将多种光学功能集成于一个超紧凑的平台上，从而实现诸如光源、光谱仪、偏振相机和显微镜等微型化光学设备的制造。这些微型化设备不仅体积小巧，而且性能卓越，为光学仪器的小型化和高性能化开辟了新路径。
为了探索多维度光学信息的综合调制能力，研究团队基于非晶硅双折射超表面设计和加工手段，通过结合广义涡旋光束阵列与矢量达曼优化的设计手段，构建三维空间广义涡旋光束阵列，并且结合矢量优化和空间多级次衍射分布设计，实现了包含三维空间阵列信息、偏振、相位、轨道角动量、强度轮廓等全参量光学自由度的综合控制。针对标量光场调控，该广义涡旋光束阵列能够通过达曼超表面优化和达曼波带片结合的设计方法，构建三维分布的涡旋光束阵列。利用广义涡旋光束设计方法，能够实现各衍射级次图案信息的关联设计，针对27个空间衍射级次，能够自定义设计图案轮廓特征。实验中，在不同深度的观察条件下，能够整齐清晰地展现各不相同的光束信息。针对矢量光场设计，将矢量优化的设计方法与达曼超表面、达曼波带片结合，各个衍射级次可以实现不同偏振特征的同步优化，由此可以实现自定义光束轮廓特征与偏振状态的联合设计。实验中，通过在不同深度以及不同偏振状态的观察条件，可以观测到多维度光学信息。
图1：广义涡旋光束阵列设计方案及实验结果
通过该三维矢量广义涡旋光束阵列的设计方法，能够实现空间信息、偏振特征、涡旋光束轮廓及相位信息的联合控制，极大提高了多维度光学信息控制的灵活性与自由度。该成果在多个领域具有潜在应用前景。在光学通信领域，通过精确控制光束的偏振、相位和轨道角动量，可以显著提高信息传输的容量和安全性，为下一代高速光通信网络提供技术支持。在光计算领域，这种多维度光学信息的综合调制能力可以用于开发新型的高速并行大容量光信息处理方案，实现对复杂运算功能以及光学神经网络的多维度并行控制。在光学显示领域，能够实现更加丰富和逼真的三维显示效果，为虚拟现实和增强现实技术的发展提供新的解决方案。此外，在光学传感、光学加密、光学微操控和并行激光加工等领域，这种技术也有望带来新的突破，为相关技术的发展注入新的活力。（来源：LightScienceApplications微信公众号）
图2：基于超表面的三维涡旋光阵列算法流程框架、三维衍射级次偏振态分布及扫描电镜图
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02065-9
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