基于超表面的复用型椭圆完美涡旋阵列设计与应用研究

《Optics & Laser Technology》：Design of multiplexed elliptical perfect vortex arrays based on metasurface

本文推荐研究人员针对传统椭圆涡旋光束生成系统复杂、难以小型化的问题，创新性地开展了基于介电超表面的偏振-波长复用椭圆完美涡旋阵列（EPVA）研究。通过设计各向异性的TiO2超表面，实现了在正交线性偏振态（532 nm和633 nm波长）下双通道EPVA的生成，衍射效率>25.4%，通道串扰<8%。该研究为结构光场的信息通道容量提升和轨道角动量（OAM）特性调控提供了新范式，在光学捕获、高维量子编码等领域具有重要应用前景。

　　

在光学研究领域，携带轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）的光学涡旋光束（Optical Vortex Beams, OVBs）犹如拥有特殊“旋转能力”的光子，其螺旋状的波前结构为光与物质的相互作用带来了全新的维度。传统的涡旋光束通常是圆对称的，就像平静水面上标准的圆形涟漪。然而，打破这种对称性的椭圆涡旋（Elliptical Vortex, EV）光束，因其独特的强度梯度和定向OAM通量，在操控微观粒子轨迹方面展现出更精准的控制能力，极大地扩展了纳米尺度操控的参数空间。尽管优势明显，但当前产生多自由度椭圆涡旋光束的方法普遍依赖于复杂、笨重的传统光学系统（如空间光调制器SLM、衍射光学元件DOE等），这使得系统难以小型化、集成化，限制了其在紧凑型光学系统中的应用。因此，开发一种能够同时调控多个光子自由度（如偏心度、旋转方向、拓扑荷配置等）的微型化平台，成为了一个亟待解决的关键挑战。

为了应对这一挑战，来自常熟理工学院光电工程学院的天生楠、吴远洋、刘永峰和杨拓研究团队在《Optics》上发表了一项创新性研究。他们巧妙地利用超表面（Metasurface）这一新兴的纳米光子技术，提出并实现了一种用于生成复用型椭圆完美涡旋阵列（Elliptical Perfect Vortex Arrays, EPVAs）的新范式。超表面是由亚波长尺度的人工原子（meta-atom）构成的二维平面结构，具有超薄、超紧凑的特点，并能提供强大的多功能波前整形能力。该研究的核心是设计并制备了一种偏振-波长复用的二氧化钛（TiO₂）介电超表面。

研究人员为开展此项研究，主要运用了几个关键技术方法：首先是理论建模与相位分布设计，通过将传统圆对称涡旋光进行椭圆化、旋转及达曼光栅（Dammann grating）阵列化操作，推导出生成定制化EPVA所需的复合相位分布。其次是有限差分时域（FDTD）算法，用于仿真和优化各向异性TiO₂纳米柱形meta-atom的电磁响应，建立其几何尺寸（长度L、宽度W）与对正交偏振光（x偏振和y偏振）的传输相位和效率之间的映射关系数据库。接着是超表面设计，根据目标相位分布，从meta-atom数据库中筛选最优组合，构建出能够响应两种波长（532 nm和633 nm）和两种正交偏振态的双功能超表面器件。最后是样品制备，采用原子层沉积（Atomic Layer Deposition, ALD）、电子束曝光（EBL）等微纳加工工艺在二氧化硅（SiO₂）衬底上制备出实际的TiO₂超表面样品。

2. 超表面的理论与设计

该部分详细阐述了EPVA的生成原理和超表面的设计过程。

2.1. EPVA的生成方法

研究团队提出了一种将常规圆对称涡旋光束转化为可定制EPVA的系统方法。其核心在于对涡旋相位进行多维度的调制。首先，椭圆涡旋光束的螺旋相位板表达式与圆对称涡旋不同，引入了偏心参数ε，使得相位不再随方位角均匀变化，而是在椭圆长轴附近变化更快，短轴附近变化更慢。然后，为了控制光束的环状直径使其不受拓扑电荷数l的显著影响，引入了轴棱锥（axicon）相位，从而形成“完美涡旋”。此外，通过坐标旋转变换，可以实现椭圆涡旋长轴方向的任意角度偏转。最终，单个可调椭圆完美涡旋（EPV）的相位是螺旋椭圆相位、轴棱锥相位和透镜相位的叠加。

2.2. 各位置可控旋转的EPVA生成

在单个椭圆光束的基础上，研究团队利用达曼光栅的原理进行空分复用，将具有不同设计参数（如拓扑荷、偏心度、旋转角）的多个椭圆涡旋光束排列成定制化的阵列。通过在每个衍射级次上独立加载特定的EPV相位，并引入旋转坐标变换，实现了在阵列不同位置上生成具有独立参数（旋转角度、拓扑荷等）的椭圆完美涡旋，从而构成了高自由度的EPVA。

2.3. 利用超表面产生多维复用EPVA

为了实现上述功能，研究团队设计了基于TiO₂纳米矩形的各向异性meta-atom。通过FDTD仿真，系统分析了不同尺寸（L, W）的纳米矩形在目标波长下对x和y偏振入射光的相位响应和传输效率，建立了一个覆盖0到2π相位范围的meta-atom数据库。该超表面利用其偏振依赖的相位调制特性，将532 nm波长通道与x偏振态绑定，633 nm波长通道与y偏振态绑定，从而能够利用单一超表面器件独立生成两个通道的EPVA图案。

3. 实验结果与讨论

通过微纳加工技术成功制备了超表面样品，其尺寸为256 μm × 256 μm，包含512×512个周期为500 nm的meta-atom。实验测试光路采用了两束激光（532 nm和633 nm），分别通过偏振器控制偏振态后，合并照射到超表面样品上。实验结果显示，在633 nm y偏振光和532 nm x偏振光单独入射时，超表面在指定的衍射区域产生了与仿真结果高度吻合的、不同的EPVA图案。当两束光同时入射时，两个通道的图案能够清晰地同时呈现，表现出良好的通道隔离性。测量得到的衍射效率在532 nm通道为28.9%，在633 nm通道为25.4%，通道间的串扰约为8%。与已有的类似工作相比，该研究在实现复杂椭圆涡旋阵列的同时，仍保持了良好的性能指标。

4. 结论

本研究成功建立了一种通过介电超表面工程生成可定制椭圆完美涡旋阵列的新方法。该平台将多参数波前控制与几何相位 manipulation 集成于单一的TiO₂超表面中，实现了对阵列几何形状、拓扑荷大小、旋转手性和偏心率的同步定制。实验验证了该器件在双波长照明下能够产生空间分辨的EPVA，具有较高的衍射效率和较低的通道串扰。这项工作显著提升了涡旋光束系统的信息通道容量，并提供了前所未有的多参数控制能力，为并行光学捕获、高维加密协议和多粒子操控应用提供了巨大优势。