近日，南京大学现代工程与应用科学学院徐挺教授与陆延青教授团队基于自旋复用超构表面光学器件，可以相继实现不同拓扑荷数的完美涡旋光束和不同状态的完美庞加莱光束的宽带产生，并首次将完美庞加莱光束应用于光学信息的编码与加密。光是一种电磁波，可以同时具有自旋角动量（Spin Angular Momentum, SAM）和轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)。自旋角动量与光的圆偏振态的手性相关，而轨道角动量与光的空间相位分布相关。庞加莱光束是一种矢量涡旋光束，具有不同的空间偏振与相位分布。庞加莱光束可以由两个具有不同拓扑荷数的正交圆偏振涡旋光束叠加得到，其在光通信、显微成像、粒子操控、量子信息等领域有着广泛的研究与应用。然而，传统涡旋光束的直径大小与拓扑荷数的大小相关，所以，当不同涡旋光束的拓扑荷数相差很大时，多个光束在同向传播过程中，其叠加的光场强度容易发生坍塌，很难产生稳定的和高质量的庞加莱光束。近年来，为了克服上述局限性，完美涡旋光束的概念被提出，其光束直径大小与拓扑荷数大小基本无关。但是，传统完美庞加莱光束通常由多个光学元件（如螺旋相位片、轴棱镜、q-plates、空间光调制器或光学透镜等）级联产生，其光路复杂，体积庞大，不易于光学系统的集成化与小型化；并且光学元件之间的对准误差会产生像差。
光学超构表面是一种由亚波长结构单元按照特定功能需要排列形成的一种超薄二维平面光学器件，可以任意地调控光的振幅、偏振、相位以及光谱等特性，其在光学成像、全息显示、空间结构光束、非线性光学、量子光学等领域有着广泛的研究。之前有工作基于硅基超构表面的振幅与相位联合调制，实现了矢量涡旋光束的产生，但其需要斜入射，并且产生效率和带宽较为受限。在本研究工作中，研究者基于自旋复用的全介质超构表面，在可见光频段内，实现了广义的完美庞加莱光束的宽带低损产生，其光束形状可为任意的圆形或椭圆形。基于纯相位调制的原理，所设计的二氧化钛型超构表面，对于一对正交圆偏振光，可以提供两种不同的相位分布并集成多种传统光学元件的功能，能够直接产生混合阶庞加莱球上对应的任意状态的完美庞加莱光束（图1）。首先，在实验中使用不同波长的光入射时，所制造的超构表面光学器件可以产生两种具有不同拓扑荷数的正交圆偏振涡旋光束。所产生的涡旋光束直径大小与其携带的拓扑荷数大小基本无关。其次，通过入射不同的偏振光，同一个超构表面光学器件可以产生不同状态的完美庞加莱光束（图2），其光束的大小、椭圆率与偏振级数、拓扑Pancharatnam 荷数基本无关。此外，作为原理验证示例，研究者在实验上将完美庞加莱光束应用于了光学信息的编码存储与加密。该研究工作为宽带产生完美庞加莱光束提供了低损耗、集成化与紧凑化的平台，有利于推动超构表面光学器件在光学信息编码加密、光学存储、矢量全息、偏振光学、量子光学等领域的应用。
图1 基于介质超构表面产生完美庞加莱光束的原理
图2 混合阶庞加莱球上不同状态的两种完美庞加莱光束(PPB1和PPB2)实验结果
该研究成果以“Broadband generation of perfect Poincaré beams via dielectric spin-multiplexed metasurface” 为题发表于综合性学术期刊《Nature Communications》 (DOI: 10.1038/s41467-021-22462-z)。南京大学现代工程与应用科学学院17级直博生刘明泽、副研究员霍鹏程为论文的共同第一作者，徐挺教授与陆延青教授为论文通讯作者，南京大学为论文第一单位，合作单位包括华中科技大学与美国国家标准技术研究院。本工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省双创团队等项目资助，以及人工微结构科学与技术协同创新中心、固体微结构物理国家重点实验室等平台的大力支持。