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为解决 3D 完美矢量涡旋光束（PVVBs）生成难题，研究人员利用碳化硅超表面开展研究。结果表明，可定制 3D 强度轨迹和偏振态，实现信息加密。该成果为多维微操纵、高安全信息处理等提供新途径。
在光学领域，光的操控一直是科研人员探索的重要方向。结构化光束，因其具备波长、振幅、相位和偏振等多个自由度，在众多领域大放异彩。其中，矢量涡旋光束（VVB）作为典型代表，携带光的总角动量，在增强成像、光镊捕获、光通信、光学加密等前沿领域广泛应用。而完美矢量涡旋光束（PVVBs）作为 VVB 的进阶版本，是两个正交圆偏振完美涡旋的叠加，打破了传统 VVB 中横向光束尺寸与携带轨道角动量（OAM）值之间的固定正相关，具有更强大的功能 。
然而，目前大多数对 VVB 特征结构的操控局限于二维空间。这一限制在光学加密和光镊捕获等应用中表现得尤为突出。在光学加密方面，二维操控限制了维度、容量和安全阈值的协同优化；在光镊捕获中，无法实现对粒子在三维空间的有效约束和精确运动控制。为了突破这些限制，将 PVVBs 从二维拓展到三维空间成为必然趋势。它不仅能提供额外的空间控制维度，还能显著提升信息容量，为光学领域的进一步发展和应用开拓新的可能。
在此背景下，南京大学的研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们旨在利用单片介电超表面，在混合阶庞加莱球（HyOPS）上实现任意 3D PVVBs 的生成，使光束具有定制的三维空间强度分布，且该分布与偏振阶数和庞加莱球上的球坐标无关。研究成果发表在《Nature Communications》上，为光学领域带来了新的突破和发展方向。
研究人员在开展研究时，运用了多种关键技术方法。在超表面设计环节，采用有限差分时间域算法对由 SiC 矩形纳米柱和二氧化硅方形基底构成的元原子进行数值模拟，通过调整纳米柱的长度、宽度等参数，优化超表面性能。制作超表面时，运用等离子体增强化学气相沉积、电子束光刻（EBL）和感应耦合等离子体（ICP）反应离子刻蚀等技术，成功制备出 SiC 超表面器件。测量方面，利用特定的光学装置捕获超表面透射光强度分布，以此计算交叉偏振转换效率（PCE） 。
3D PVVBs 的生成原理
研究人员提出了一种 3D 完美涡旋的理论模型，其拓扑电荷为 t，定制的 3D 强度轨迹由一系列不连续的光点组成。通过狄拉克函数调制，定义了右旋圆偏振（RCP）或左旋圆偏振（LCP）3D 完美光学涡旋的复振幅。利用菲涅尔衍射积分计算出初始平面所需的标量场复振幅，并得出可通过纯相位光学元件编码叠加相位轮廓来生成 3D 完美涡旋。为高效集成地生成 3D PVVBs，研究人员使用单片介电超表面，提供两种不同拓扑电荷的自旋相关相位轮廓，实现任意 RCP 和 LCP 3D 完美涡旋的同时生成和同轴叠加，且无理论能量损失。他们设计并制作了由不同尺寸 SiC 纳米柱构成的超表面，经模拟和实验验证，所选纳米柱具有高交叉偏振转换效率，能有效保证涡旋的生成效率 。
3D PVVBs 的实验验证
研究人员设计并制作了两个单片偏振复用 SiC 超表面，用于生成两个不同偏振阶数的 3D PVVBs（PVVB1 和 PVVB2）。通过实验装置对超表面产生的 RCP 和 LCP 3D 完美涡旋进行表征，捕获不同 z 方向上的横向强度图像，重建 3D 光场。实验结果显示，生成的 3D 完美涡旋尺寸随拓扑电荷增加变化极小，定制的强度轨迹在很大程度上与涡旋的拓扑电荷无关。通过调整入射光的偏振态，可实现对各种 3D PVVBs 状态的可控生成。实验测量了不同偏振态下 3D PVVBs 的 3D 强度分布和偏振方位角，结果表明，所提出的单片 SiC 超表面能生成具有 3D 强度轨迹的任意 PVVBs，且与拓扑电荷或偏振阶数无关 。
基于 3D PVVBs 的光学信息加密
超表面基 3D PVVBs 为光学信息安全技术提供了紧凑、低损耗且高容量的平台。研究人员选取一系列由几何参数和偏振阶数表征的 3D PVVBs 对 8 位二进制数字进行编码，构建相关代码表。以二维码加密为例，将二维码转换为二进制矩阵，再转换为十六进制矩阵，对应不同 3D PVVBs 的序列号。根据这些信息制作 SiC 超表面（即密文），对二维码图像进行编码。解码时，用 RCP 和 x 偏振光入射到超表面密文上，捕获经分析器后的两个 3D 光场，通过分析光场特征确定 3D PVVBs 的参数，进而解密出原始二维码。该加密方案利用 3D PVVBs 的多参数特性，具有高维度编码和额外 3D 结构自由度的优势，解码过程简单且不易受环境干扰 。
研究人员通过实验成功展示了利用具有纯相位调制的单片 SiC 超表面实现广义 3D PVVBs 的紧凑、低损耗平台。该平台可定制 PVVBs 在 3D 空间中的环形强度轨迹，且这些轨迹与拓扑电荷和偏振阶数基本无关。利用这一特性，研究人员实验实现了基于超表面编码 3D PVVB 阵列的图像加密方案，用于光学防伪。这项研究将基于超表面的完美涡旋和 PVVBs 的光束特性工程从二维平面扩展到三维空间，为微纳粒子的 3D 操纵、高安全性信息处理和高维量子纠缠等应用提供了额外的空间控制维度和更高的信息容量 。与一些基于 OAM/VVB 的加密方法相比，3D PVVBs 能够实现高维编码，其 3D 结构中的额外自由度增加了加密的复杂性，使解码和复制光束更具挑战性，且基于 3D PVVBs 的加密采用非干涉系统，解码过程更简单、更稳定。此外，3D PVVBs 在 3D 光镊应用中也具有巨大潜力，有望实现对粒子速度的精确调节和更高级的运动控制 。总之，该研究成果为光学领域的发展提供了新的思路和方法，推动了相关应用的进一步发展 。
