多通道混合自旋-轨道模式对检测的金属透镜技术及其在光学操控中的应用

这篇研究提出了一种基于金属透镜（metalens）的多通道检测方法，用于同时识别携带轨道角动量（OAM）和自旋角动量（SAM）的混合模式对（HSOMP）。通过相位工程和焦点位置设计，实现了紧凑高效的OAM模式（拓扑电荷l = ±3）与SAM状态（左/右圆偏振，LCP/RCP）的同步检测，为光学通信、量子信息处理和结构光场调控提供了新工具。

　　

摘要

光子携带的轨道角动量（OAM）和自旋角动量（SAM）是结构光场的核心特性。混合自旋-轨道模式对（HSOMP）指拓扑电荷相反且圆偏振态相反的两束光，在柱矢量光束生成等领域至关重要。传统检测方法体积庞大且效率低，而本研究通过金属透镜实现了多通道HSOMP的紧凑检测。

1 引言

光学涡旋光束（OVB）的螺旋波前赋予其OAM（拓扑电荷^l），而圆偏振态决定SAM（σ = ±1）。HSOMP的检测对光学操控和量子技术具有重要意义，但现有方法依赖衍射或干涉，难以满足集成化需求。金属透镜作为二维纳米结构界面，可高效调控光场振幅、相位和偏振，为HSOMP检测提供了新思路。

2 结果

2.1 检测原理与金属透镜设计

通过相位穿刺与复用技术（图2a），将透镜相位剖面与OAM相位剖面结合，生成七焦点分布（图3a）。每个焦点对应特定HSOMP：点状光斑验证OAM模式（Δ^l = 0），相邻弧线图案的朝向（上/下）揭示SAM状态（图1b,c）。理论模拟显示，Δ^l = ±1时弧线方向相反（图2d），符合动量守恒定律。

2.2 HSOMP检测实验

制备的银纳米棒金属透镜（图4a）在650 nm波长下工作。实验证实，LCP光（^l = -1）在第三焦点形成点状斑，周围弧线从下到上过渡；RCP光（^l = 1）则呈现反向弧线（图4c）。该设计可检测^l = ±3范围内的OAM模式，且对柱矢量光束（CVB）的分解检测具有潜力。

3 讨论

本方法通过单次测量实现多通道HSOMP检测，显著提升了功能密度。相位剖面的结构化设计优化了空间资源利用，为光学通信和量子计算等应用提供了高效工具。未来可通过介电质金属透镜提升效率，实现双组分HSOMP同步检测。

4 实验方法

采用电子束光刻和剥离工艺制备Ag纳米棒阵列（40 nm厚，300 nm像素尺寸），基底为ITO玻璃。PMMA抗蚀剂经显影后沉积银膜，最终通过剥离形成纳米结构。

（注：全文严格依据原文内容缩编，未添加非原文信息，专业术语均保留英文缩写及符号规范。）