近期，中国科学院上海光学精密机械研究所王俊研究员团队基于全介质超表面在近红外波段产生完美涡旋光束以及调制其拓扑电荷等的特性方面取得进展，相关研究成果以“Generation and control of high-reflection-efficiency perfect vortex beams based on all-dielectric metasurfaces”为题发表于Chinese Optics Letters。
近年来，具有独立螺旋波前相关的轨道角动量的完美涡旋光束由于其光束直径与拓扑电荷无关而受到广泛的关注。完美涡旋光束有望在光纤通信、粒子操纵、量子信息等方面取得重大进展。目前，通过反射式全介质超表面产生高反射效率的完美涡旋光束报道较少，大多是通过金属等来操控。此外，产生完美涡旋光束的方法大都基于轴棱锥来产生，环宽相对较宽，且环上的光功率密度相对较弱。
研究人员设计了全介质超表面，结合贝塞尔相息图、螺旋相位板以及傅里叶变换透镜，通过PB相位调制结构，实现了完美涡旋光束的产生，反射效率可高达90.17%。完美涡旋光束拓扑电荷以及环宽与直径的灵活操控可通过调制不同的相位参数实现。此外，还演示了基于达曼光栅实现4通道完美涡旋光束阵列的产生，光束的均匀度为40%。该研究从仿真与实验上验证了高反射效率完美涡旋光束的产生，这将对实现紧凑型、多功能片上集成光子器件具有重要意义。
相关工作得到了国家重点研发计划的支持。
图1 反射式完美涡旋光束产生示意图
图2 反射式完美涡旋光束实验测试结果。(a)实验装置。(b) - (g)拓扑电荷分别为1、−1、2、−2、3和−3时的实验结果。(h) - (i)完美涡旋光束阵列实验结果。(j)制备超表面样品的SEM图像。(k)局部SEM放大图。(l)模拟与实验环直径结果对比。(m) 模拟与实验完美涡旋光束环宽结果对比。(n) - (q)完美涡旋光束与球面波干涉结果。
