可重构任意延迟器阵列：开启复杂结构物质与动态光子学的新纪元

研究人员针对传统可调延迟器自由度受限的问题，通过级联低功能器件构建了首个可重构任意延迟器阵列（tuneable arbitrary retarder array），实现了轴几何、延迟值及相位的全动态控制。该技术作为新型光束发生器、分析仪和校正器，成功生成了光学斯格明子（optical skyrmion）拓扑结构，完成了考古样本双折射成像和生物纤维化检测，并开发了矢量自适应光学（vectorial AO）校正方法，发表于《Nature Communications》，为动态光子学和复杂物质操控提供了突破性工具。

　　

在光学领域，延迟器（retarder）作为调控光偏振态的核心元件，其发展历经了从晶体波片到液晶器件的演变。然而，传统可调延迟器仅能实现线性延迟，而被动式任意延迟器阵列又缺乏动态调控能力，这严重限制了复杂偏振拓扑结构（如光学斯格明子）的生成、高精度偏振分析以及矢量像差校正等前沿应用。如何突破自由度限制，构建兼具任意延迟特性和实时可调性的新型结构物质，成为亟待解决的难题。

针对这一挑战，来自牛津大学等机构的研究团队在《Nature Communications》发表了一项突破性研究。他们通过级联三个空间光调制器（SLM）和一个变形镜（DM），首次实验实现了可重构任意延迟器阵列。该阵列能以虚拟像素（virtual pixels）形式动态控制每个单元的椭圆轴几何（axis geometry）、延迟值（retardance value）和诱导相位（induced phase），从而完成任意偏振态（SoP）与相位的像素级转换。

研究团队采用多设备协同标定技术（Supplementary Method 1-2），通过逆问题求解将目标矢量场映射至SLM和DM的相位分布。关键创新在于利用级联系统模拟琼斯矩阵（Jones matrix）的乘积特性，通过四个低功能器件的组合实现等效高维调控。校准过程中建立的查找表（look-up table）确保了各像素点对椭圆延迟参数的精确控制（Supplementary Note 1）。

光束发生器：拓扑光场的新范式
通过编码空间变化的延迟分布，该阵列首次实现了光学斯格明子袋（skyrmion bag）等复杂拓扑结构的动态生成（图2）。实验显示，即使输入非均匀偏振场（图2c），系统仍能输出具有非平凡拓扑数（skyrmion number）的结构，验证了其突破输入限制的能力。 Mueller矩阵测量（图2b）证实了生成器偏振调控的准确性，为光学拓扑研究提供了通用平台。

光束分析仪：全庞加莱单元成像
研究团队开发了两种全庞加莱单元（FPU）优化模式：针对圆偏振（方法1）和线偏振（方法2）的定制化分析通道。在考古样本中，该系统成功解析了秦汉时期辰砂（cinnabar）的双折射微观结构（图3a）；在骨髓纤维化（myelofibrosis）生物样本中，则精准定位了纤维化累积区域（图3b）。与传统方法相比，FPU成像的信噪比提升显著（Supplementary Note 3）。

光束校正器：矢量自适应光学突破
作为新型矢量自适应光学（O-AO）校正器，该阵列首次实现了传感器/无传感器两种模式下任意偏振像差的补偿（图4）。通过构建延迟模式（retardance modes）库，系统可估计倾斜波片阵列等复杂像差，并恢复聚焦光斑质量。实验显示，活塞模式（piston mode）校正显著改善了传统AO忽略的整体延迟值影响（图4b）。

这项研究开创了可重构结构物质的新范式。尽管当前SLM级联方案存在效率与对准精度等局限（未来可通过超表面技术优化），但其核心思想——通过低维器件组合实现高维调控——为动态光子学提供了普适性框架。研究团队进一步指出，该原理可扩展至可调二向色器（diattenuator）阵列等复杂物质构建（Supplementary Methods 6-8），为光场强度与偏振度（DoP）的协同调控开辟了新途径。

这项成果的意义不仅在于三项标志性应用示范，更在于其揭示了“合成结构物质”的设计哲学：通过智能算法整合简单物理单元，可突破现有材料的本征限制。正如作者强调，这种思路将深刻影响光学通信、激光加工、临床诊断等领域——例如，未来或可开发基于延迟器阵列的“偏振手术刀”，实现对生物组织的光学特性动态匹配治疗。