基于梯度逆向设计的超表面产生的扭曲光束

《Journal of Lightwave Technology》：Twisted Light Beam From a Gradient-Based Inverse-Designed Metasurface

光螺旋 beams的生成与特性研究。通过梯度逆设计方法优化超表面结构，无需预定义轨道角动量即可实现三重螺旋焦点。实验与数值模拟表明，金属透镜可产生稳定旋转40°的螺旋光束，半径2微米。该成果为新型光镊、三维光-物质相互作用及成像应用提供了新途径。

　　

摘要：

光学涡旋光束具有螺旋波前和轨道角动量（OAM），其独特的相位特性形成了环形强度分布。然而，传统的观测方法往往难以直接可视化其扭曲行为，这限制了在光学操控和三维结构光-物质相互作用等应用中充分利用光束空间演化的能力。在这项研究中，我们通过数值模拟和实验验证了一种基于梯度的逆向设计方法，用于制造无需预先定义OAM或复杂正向设计过程的涡旋光束生成超表面。我们优化的金属透镜实现了精确的三螺旋聚焦效果：焦点在各个设计焦平面上始终顺时针旋转40°，同时保持2 μm的稳定半径。这种方法为新型光学镊子和光-物质相互作用技术提供了巨大潜力，其中可控的空间旋转（不同于传统的基于OAM的光束）可能实现新的粒子操控策略，并适用于成像、光刻和深度感知等领域。

引言

涡旋光束是最直观的具有轨道角动量（OAM）的光束形式[1]，可以通过多种方法生成，包括模式转换器[2]、螺旋相位板[3]、叉形光栅[4]等。根据偏振特性，涡旋光束可分为两类：标量涡旋光束在其波前具有均匀的偏振分布，而矢量涡旋光束在垂直于光束传播方向的平面上表现出空间变化的偏振[5]。超表面为涡旋光束的生成提供了另一种平台[6]，实现方式包括使用q-板[7]、J-板[8][9][10]以及方向不对称的Janus超表面[11]等结构。这些涡旋光束携带轨道角动量状态，并具有圆对称的环形强度分布。然而，仅通过强度分布很难直接测量坡印廷矢量的扭曲行为，必须通过干涉测量来获取光束演化的信息。因此，一些研究利用具有时间相关性或时频相关性的光束来实现对光束扭曲效应的控制[12][13][14][15]。尽管采用了这些时频方法，仍需要干涉测量来观察光束的扭曲行为。此外，传统的OAM光束在光学镊子等应用中尤为重要，因为其内在的OAM特性使得可以围绕光束轴旋转操控被捕获的粒子。不过，这些方法主要在固定的横截面上操作，无法直接观察到光束沿传播方向的螺旋演化过程。