【Light】帕多瓦大学超表面技术：开启矢量光束相位偏振定制新时代

01 前言

近年来，完美涡旋光束（Perfect Vortex Beams）因其独特的环形强度分布和与拓扑电荷无关的特性，成为研究热点。然而，传统方法在生成此类光束时面临相位和偏振控制的挑战，通常需要复杂的光学系统或多重干涉结构，限制了其实际应用的灵活性和集成性。本文提出了一种基于双功能超表面（Dual-functional Metasurfaces）的新方法，通过编码任意方位角变化的相位梯度和矢量态，实现了对完美涡旋光束相位和偏振模式的完全控制。

02  创新点   

相位与偏振的独立控制

利用超表面的双功能性，可独立调控左旋和右旋圆偏振光的相位，从而在单个光学元件中实现复杂的矢量光束生成。

引入方位角变化相位梯度函数（如线性、指数、正弦等），使光束的相位和偏振模式可沿环形结构任意调整。

紧凑型光学元件设计

通过硅基超表面（metasurfaces）实现多功能集成，替代传统复杂光学系统（如螺旋相位板+轴锥镜组合）。 

实验验证了高效（~72%透射率）且高精度的光束生成能力。

动态调控与多模式生成

通过改变入射光的偏振方向或旋转检偏器，可动态调整输出光束的偏振模式和光强分布，实现多焦点或旋转光斑等效果。

支持多环结构设计，每个环可独立设定不同的相位梯度和偏振态，适用于多粒子操控或信息编码。

03  图文

图 1：AV-PVB 生成的示意图。

图 2：超光学元件生成两个环，具有单个梯度扇区但涡旋状态相反。

图 3：超光学元件产生两个环，分为四个扇区，拓扑电荷为零，但出现方位变化的偏振图案。

图 4：超光学元件生成具有指数和正弦相位梯度的 AV-PVB。

图 5： 制造的样品和实验装置。

总结

本文通过设计和制造双功能硅超光学元件，成功实现了方位变化完美矢量光束（AV-PVBs）的紧凑生成。这些光束具有独特的性质，包括可定制的环形强度分布和任意的方位变化相位及偏振模式。通过精确控制相位和偏振，AV-PVBs在光学镊子、低折射率粒子操纵、冷原子捕获和高容量通信等领域展现出巨大的应用潜力。实验结果与理论预测高度一致，验证了所提出方法的有效性。此外，本文还展示了如何利用输入光的偏振态作为动态控制机制，通过改变偏振态或旋转偏振片来生成不同的多点图案，为信息编码和传输提供了新的方法。总的来说，这项工作不仅在理论上取得了突破，还在实验上验证了其可行性，为未来光学技术的发展提供了新的方向。

DOI：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01859-1

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