南京大学陈鹏副教授、陆延青教授课题组在液晶平面光子学方面取得新进展，利用集成化几何相位的液晶微纳结构，实现了高效、可调、可定制的轨道角动量（OAM）光束三维阵列操控。
光子轨道角动量（OAM）是一种新颖的光场调控维度，携带OAM的光束有望为微粒操控、超分辨显微、大容量光通信、高维量子纠缠等领域提供全新的技术手段，因此受到广泛关注。近年来，为了更好地满足功能性、灵活性、并行性等需求，OAM光束的多模式、多通道操控成为新的研究热点，基于空间光调制器、超构表面、液晶微结构等体系的相关创新成果不断涌现。其中，液晶微纳结构具有工艺简便、效率高、动态可调、适于大面积制备等优势，是实现OAM光束多维度并行操控的有力途径。
液晶兼具液体的流动性与晶体的各向异性，独特的电光响应使其在显示领域占据主导地位。近几年，光取向技术的发展催生出一系列功能强大的液晶几何相位元件，为动态多维度、平面集成化的光场调控开辟了新道路。而在OAM光束的多模式、多通道操控方面，液晶几何相位元件也展现出优异性能与应用潜力。然而，目前相关工作仍局限在一维/二维空间，且OAM模式较为单一，这将限制它们在多微粒操控、三维光存储、多光子显微等领域的应用。
图1. 基于液晶几何相位的OAM光束三维阵列操控示意图
陈鹏、陆延青课题组在此前液晶几何相位及OAM光束操控研究的基础上，提出一种新型液晶平面光子元件，将二值精细结构（二维达曼光栅、达曼波带片）与渐变几何相位结构（q波片、PB透镜）集成于一个平面光子元件，实现了偏振可控、模式分布可定制的OAM光束三维阵列（图1）。该元件展现出高效率、高灵活性、大容量等特性，为多维OAM操控与软物质光子学开拓了思路。
根据不同需要，课题组针对性优化达曼编码函数，精准设计四种相位成分的结构参数，可构筑两类液晶微纳结构，分别实现了OAM模式全同与OAM模式随传播变化的三维阵列。其一，不集成PB透镜结构，该液晶几何相位元件在圆偏振光入射时产生三维涡旋光阵列，在线偏振光入射时产生三维矢量光阵列；入射任意偏振态，理论上可构造任意庞加莱球光束的三维全同阵列。其二，集成特定焦距的PB透镜结构，根据"偏移-重合"设计原理，该元件在正交圆偏振光入射时产生轴向偏移的涡旋光阵列，在线偏振光入射时产生相反拓扑荷涡旋光、正交偏振矢量光的混合三维阵列，即实现了高阶庞加莱球上四种典型OAM光束的轴向交替（图2）。此外，课题组还测试了器件在不同波长下的工作效果，实验结果表明，所提出的液晶几何相位元件具有电控多波长适用的特点。
图2. 液晶几何相位微纳结构与产生的OAM光束三维阵列
基于受控自组装的液晶微纳结构和"偏移-重合"新设计思路，课题组在三维空间中实现了涡旋光阵列、矢量光阵列以及其混合阵列，衍射效率高、光束质量好。得益于几何相位的偏振敏感性、波长无关性以及液晶材料的电光可调性，该方案兼具偏振可控、灵活可调、多波长适用等优势，有望助力三维光镊、光存储、光学显微等领域的新应用。
相关成果以"3D engineering of orbital angular momentum beams via liquid-crystal geometric phase"为题，发表于Laser & Photonics Reviews（DOI: 10.1002/lpor.202200118），并入选当期封底Back Cover。南京大学为该工作独立完成单位，现代工程与应用科学学院博士生刘思嘉为第一作者，陈鹏副教授、陆延青教授为共同通讯作者，研究生朱琳、张逸恒及葛士军副研对本文亦有重要贡献。该研究由国家重点研发计划（青年科学家项目）、江苏省前沿引领技术基础研究专项、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费及省双创计划等资助完成。
南京大学陈鹏副教授、陆延青教授课题组专注于液晶平面光子学方面的研究，2022年以来，在手性/非手性液晶微纳光子结构的组装操控、涡旋光束的按需调控及动态智能全息元件等方面取得若干进展，相关工作如下：
Light: Science & Applications11, 135 (2022)
Laser & Photonics Reviews16, 2200011 (2022) [Inside Back Cover]
Laser & Photonics Reviews 16, 2200118 (2022) [Back Cover]
Laser & Photonics Reviews 16, 2100591 (2022)
ACS Photonics 9, 1050 (2022) [Supplementary Cover]
*本论文信息：
3D engineering of orbital angular momentum beams via liquid-crystal geometric phase
Si-Jia Liu, Peng Chen*, Shi-Jun Ge, Lin Zhu, Yi-Heng Zhang, and Yan-Qing Lu*
Laser Photonics Reviews16(6), 2200118 (2022).
DOI: 10.1002/lpor.202200118
*论文链接：