图1 偏振复用多样涡旋场的产生
1. 导读
涡旋光束携带轨道角动量在量子通信、信息处理、高分辨率成像等领域存在重要应用。近年来引发广泛的关注，然而利用传统方法产生涡旋光束存在偏振操控不灵活、光学系统体积庞大、以及由于光路不对准导致光束性能下降等问题。超表面的出现使得上述问题得以解决，但是利用超表面产生涡旋光束时普遍存在多通道耦合，入射光响应单一等问题。
针对这些问题，近日天津大学姚建铨院士、吴亮副教授团队联合哈尔滨工业大学李立教授和首都师范大学张岩教授合作在Nanophotonics发表最新文章，提出了一种片上集成偏振复用太赫兹超表面，在x/ y偏振光入射时，该超表面可以同时在四个通道中独立的产生具有不同拓扑荷数的两组正交偏振涡旋光束。这种超表面方案为构建大容量通信所需的多样化偏振涡旋光束提供了完整的偏振基元体系。
该研究成果不仅可以为多功能集成光学器件的设计提供指导，并为未来增大通信系统的传输容量打开了新思路。
2. 研究背景
携带轨道角动量的涡旋光束具有螺旋相位分布和结构化强度，应用场景非常广泛。然而传统的产生涡旋光束的方法通常是通过级联多个光学器件，因此存在系统体积庞大且复杂，光路对准难度较高，产生的涡旋光束拓扑荷数和偏振态单一等问题。这是因为传统光学系统是利用光束在传播过程积累的相位来调控波前。
超表面是超材料的二维形式，在亚波长尺度上调控光场的能力非常卓越，有利于器件的小型化和系统的集成性。科学家们利用超表面对产生各种各样的涡旋光束进行了一系列的尝试，如实现了入射正交偏振响应下的单一涡旋光叠加，涡旋光和球面波叠加，以及在入射单一线偏振响应下采用复杂相位集成的超表面实现多通道拓扑荷数耦合的涡旋光。然而，如何通过单一超表面在正交偏振光入射下，同时独立的生成线偏振（x与y极化）和圆偏振（左旋与右旋极化）的正交基涡旋光束，仍面临基础原理与技术实现的双重挑战。
3. 创新研究
针对上述挑战，研究人员提出了一种片上集成的全介质太赫兹超表面方法，该偏振复用超表面仅采用传播相位策略设计，由保持偏振和转换偏振的超原子组成。通过精确排布双折射超原子阵列，在不同的通道中可定制化诱导x与y偏振的附加相位，从而同步调控涡旋光束的偏振态与拓扑荷数，为信息载体的多维度操控提供了新自由度。研究人员首先从全介质偏振复用四通道正交偏振基产生超表面出发，该超表面由偏振保持和偏振转换的超原子组成，通过控制两种超原子之间的相位差，在正交线偏振光入射时可以分别在四个传输通道中同时独立产生两组正交偏振态。如图2所示当x偏振光入射时，超表面在四个通道分别独立产生x偏振光，y偏振光，右旋圆偏振光和左旋圆偏振光。同理，超表面在y偏振光入射时，在四个通道分别独立产生y偏振光，x偏振光，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。可以发现实验结果和模拟非常吻合，证明了在一个超表面上集成四个通道并独立产生两组正交偏振基的可行性。
图2 四通道正交偏振态的产生结果
随后研究人员研究了通过单一超表面在正交线偏振光入射时四个通道独立产生不同拓扑荷数的偏振涡旋光束，除了控制两种超原子之间的相位差，研究人员对超原子的排列进行了精确的排布。如图3所示，当x偏振光入射时，分别产生了拓扑荷为-1的x偏振态涡旋、拓扑荷为-2的y偏振态涡旋、右旋圆偏振态涡旋叠加态|x, -3>+|y, +2>和左旋圆偏振涡旋叠加态|x, -3>+|y, +3>。当y偏振光入射时，拓扑荷为-3的y偏振态涡旋、拓扑荷为-2的x偏振态涡旋、左旋圆偏振态涡旋叠加态|x, +2>+|y, -2>和右旋圆偏振涡旋叠加态|x, +3>+|y, -2>分别在四个传输通道中产生。实验结果与模拟基本一致。
图3 四通道正交偏振基涡旋产生结果
4. 应用与展望
研究团队提出的基于片上集成偏振复用超构表面产生多样涡旋光束的新方法，利用传输相位原理，通过控制两种超原子之间的相位差以及对双折射超原子阵列进行定制化的排列，实现了正交偏振光入射时在四个通道中同时独立的产生具有不同拓扑荷数的偏振涡旋光束。该方法为多功能集成超表面设备的设计提供了指导，同时有望在量子通信、信息处理、高分辨率成像等领域实现广泛的应用。
该研究成果以“Chip-integrated polarization multiplexed metasurface for simultaneous generation of versatile terahertz vortices”为题在线发表在Nanophotonics。