一种空间频率拼接超表面实现超容量完美矢量涡旋光束
超容量完美矢量涡旋光束的实现
研究背景与问题提出
光学涡旋（Optical Vortex）以其独特的轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）特性，在光学复用、粒子操控、成像、全息显示、光通信和光学加密等领域展现了巨大的应用潜力。然而，传统的涡旋光束通常采用全局相位调制方法生成，其拓扑荷（Topological Charge, TC）单一且强度分布均匀，限制了空间信息的进一步挖掘。此外，尽管已有研究尝试通过引入偏振等自由度增强信息容量，但局部空间强度信息仍未被充分探索。
为突破这一限制，清华大学深圳国际研究生院、香港理工大学、暨南大学等机构的研究团队提出了一种全新的“空频拼接超表面”（Spatial-Frequency Patching Metasurface）概念，用于生成一种新型的超容量完美矢量涡旋光束（Super-Capacity Perfect Vector Vortex Beams, SC-PVVB）。这种光束不仅在形态、偏振方位角和椭圆角三个维度上实现了局部调控，还支持至少13个通道的信息编码，极大地提升了光束的信息容量和应用潜力。
论文来源与作者信息
这篇研究论文题为“A Spatial-Frequency Patching Metasurface Enabling Super-Capacity Perfect Vector Vortex Beams”，由Yu Zhipeng（余志鹏）、Gao Xinyue（高欣悦）、Yao Jing（姚静）等人共同完成，其中Yu Zhipeng和Gao Xinyue为共同第一作者。通讯作者为Lai Puxiang（赖普祥）、Li Xiangping（李向平）和Song Qinghua（宋清华）。研究团队来自多个知名机构，包括清华大学深圳国际研究生院、香港理工大学生物医学工程系、暨南大学光电技术研究所等。该论文于2024年发表在开放获取期刊《eLight》上，DOI为10.1186/s43593-024-00077-3。
研究方法与实验流程
a) 研究流程与实验设计
本研究的核心是通过“空频拼接超表面”实现对涡旋光束的空间频率分段调控。整个研究分为以下几个主要步骤：
1. 空频拼接理论与设计
研究团队首先提出了一种新的数学方法，将远场中不规则无缝曲线分解为若干椭圆弧的叠加，并在近场中为每个部分施加所需的空频分布。这种方法使得涡旋光束的形态和拓扑荷可以局部调控。具体而言，对于一个完整的椭圆涡旋光束（Elliptic Perfect Vortex Beam, EPVB），其相位分布可通过以下公式描述： [ \phi_{oam}(l, a, b) = l \cdot \arctan\left(\frac{a}{b} \tan(\theta)\right) ] 其中，(a) 和 (b) 分别为水平和垂直归一化因子，(l) 为拓扑荷，(\theta) 为径向角度。通过将完整椭圆分解为四个四分之一椭圆弧（Segments I-IV），研究团队分别计算了每个部分的相位分布，并将其拼接为一个完整的光束。
2. 超表面结构设计与制备
研究团队设计了一种基于二氧化钛（TiO₂）纳米柱阵列的几何超表面。这些纳米柱具有600纳米的高度，排列在300纳米周期的方形晶格上。通过调整纳米柱的旋转角度，可以实现对涡旋光束的几何相位（Pancharatnam-Berry Phase, PB Phase）的精确控制。团队使用电子束光刻（Electron Beam Lithography, EBL）和反应离子刻蚀（Reactive Ion Etching, RIE）技术制备了超表面样品。
3. 实验验证与数据分析
实验装置包括超连续激光器、声光可调滤波器（AOTF）、偏振片、透镜组和科学级CMOS相机。研究团队通过线性偏振光照射超表面，测量了不同波长下的光场分布，并利用斯托克斯参数（Stokes Parameters）分析了偏振态。实验结果表明，生成的SC-PVVB在形态、偏振方位角和椭圆角三个维度上均实现了独立调控。
b) 主要研究结果
1. 形态与拓扑荷的局部调控
实验结果显示，通过空频拼接方法，研究团队成功生成了具有局部可控形态和拓扑荷的SC-PVVB。例如，在一个由四个椭圆弧组成的光束中，各部分的拓扑荷分别为2、6、4和8，其等效拓扑荷为5。这种局部调控能力显著优于传统方法。
2. 偏振态的多维调控
研究团队进一步通过叠加两个正交圆偏振态的SC-PVVB，实现了偏振方位角和椭圆角的独立调控。实验数据表明，每个椭圆弧的偏振状态（如线偏振、左旋椭圆偏振、右旋椭圆偏振）均可精确控制，从而支持至少13个通道的信息编码。
3. 宽带响应与鲁棒性
实验验证了SC-PVVB在可见光范围（460-650纳米）内的宽带响应特性。此外，研究团队还通过优化达曼光栅（Dammann Grating）设计，实现了多路复用传输，进一步提升了信息容量。
c) 研究结论与意义
科学价值
本研究首次提出了“空频拼接超表面”的概念，突破了传统涡旋光束在形态和拓扑荷上的全局限制，实现了局部调控能力。这一成果为光学涡旋的基础研究提供了新思路。
应用价值
SC-PVVB的多维调控能力和超大信息容量使其在光学加密、高密度数据通信、粒子操控等领域具有广泛的应用前景。例如，通过将13个通道编码为二进制值，单个SC-PVVB即可生成(2^{13})种可能组合，极大地提升了信息传输的安全性和效率。
d) 研究亮点
- 创新方法：空频拼接方法的提出为涡旋光束的设计提供了全新视角。
- 多维调控：实现了形态、偏振方位角和椭圆角三个维度的独立调控。
- 超高容量：单个光束支持至少13个通道，显著超越现有技术。
- 宽带响应：在可见光范围内表现出优异的性能稳定性。
e) 其他有价值的信息
研究团队还开发了一种基于遗传算法的优化方法，用于设计达曼光栅的相位分布，进一步提升了多路复用传输的效率。
总结
这篇论文通过提出“空频拼接超表面”的创新方法，成功实现了超容量完美矢量涡旋光束的生成。其研究成果不仅在理论上拓展了光学涡旋的调控维度，还在实际应用中展现了巨大的潜力。这项研究标志着光学信息处理技术迈入了一个全新的阶段，为未来高密度、高安全性光通信系统的发展奠定了坚实基础。