近日，南京大學現代工程與應用科學學院徐挺教授與陸延青教授團隊基於自旋複用超構表面光學器件，可以相繼實現不同拓撲荷數的完美渦旋光束和不同狀態的完美龐加萊光束的寬帶產生，並首次將完美龐加萊光束應用於光學資訊的編碼與加密。光是一種電磁波，可以同時具有自旋角動量（Spin Angular Momentum，SAM）和軌道角動量（Orbital Angular Momentum，OAM）。自旋角動量與光的圓偏振態的手性相關，而軌道角動量與光的空間相位分佈相關。龐加萊光束是一種向量渦旋光束，具有不同的空間偏振與相位分佈。龐加萊光束可以由兩個具有不同拓撲荷數的正交圓偏振渦旋光束疊加得到，其在光通信、顯微成像、粒子操控、量子資訊等領域有著廣泛的研究與應用。然而，傳統渦旋光束的直徑大小與拓撲荷數的大小相關，所以，當不同渦旋光束的拓撲荷數相差很大時，多個光束在同向傳播過程中，其疊加的光場强度容易發生坍塌，很難產生穩定的和高品質的龐加萊光束。近年來，為了克服上述局限性，完美渦旋光束的概念被提出，其光束直徑大小與拓撲荷數大小基本無關。但是，傳統完美龐加萊光束通常由多個光學元件（如螺旋相位片、軸棱鏡、q-plates、空間光調製器或光學透鏡等）級聯產生，其光路複雜，體積龐大，不易於光學系統的集成化與小型化；並且光學元件之間的對準誤差會產生像差。
光學超構表面是一種由亞波長結構單元按照特定功能需要排列形成的一種超薄二維平面光學器件，可以任意地調控光的振幅、偏振、相位以及光譜等特性，其在光學成像、全息顯示、空間結構光束、非線性光學、量子光學等領域有著廣泛的研究。之前有工作基於矽基超構表面的振幅與相位聯合調製，實現了向量渦旋光束的產生，但其需要斜入射，並且產生效率和頻寬較為受限。在本研究工作中，研究者基於自旋複用的全介質超構表面，在可見光頻段內，實現了廣義的完美龐加萊光束的寬帶低損產生，其光束形狀可為任意的圓形或橢圓形。基於純相位調製的原理，所設計的二氧化鈦型超構表面，對於一對正交圓偏振光，可以提供兩種不同的相位分佈並集成多種傳統光學元件的功能，能够直接產生混合階龐加萊球上對應的任意狀態的完美龐加萊光束（圖1）。首先，在實驗中使用不同波長的光入射時，所製造的超構表面光學器件可以產生兩種具有不同拓撲荷數的正交圓偏振渦旋光束。所產生的渦旋光束直徑大小與其攜帶的拓撲荷數大小基本無關。其次，通過入射不同的偏振光，同一個超構表面光學器件可以產生不同狀態的完美龐加萊光束（圖2），其光束的大小、橢圓率與偏振級數、拓撲Pancharatnam荷數基本無關。此外，作為原理驗證示例，研究者在實驗上將完美龐加萊光束應用於了光學資訊的編碼存儲與加密。該研究工作為寬帶產生完美龐加萊光束提供了低損耗、集成化與緊湊化的平臺，有利於推動超構表面光學器件在光學資訊編碼加密、光學存儲、向量全息、偏振光學、量子光學等領域的應用。
圖1基於介質超構表面產生完美龐加萊光束的原理
圖2混合階龐加萊球上不同狀態的兩種完美龐加萊光束（PPB1和PPB2）實驗結果
該研究成果以“Broadband generation of perfect Poincarébeams via dielectric spin-multiplexed metasurface”為題發表於綜合性學術期刊《Nature Communications》（DOI: 10.1038/s41467-021-22462-z）。南京大學現代工程與應用科學學院17級直博生劉明澤、副研究員霍鵬程為論文的共同第一作者，徐挺教授與陸延青教授為論文通訊作者，南京大學為論文第一單比特，合作單位包括華中科技大學與美國國家標準技術研究院。本工作得到了科技部重點研發計畫、國家自然科學基金、江蘇省雙創團隊等專案資助，以及人工微結構科學與科技協同創新中心、固體微結構物理國家重點實驗室等平臺的大力支持。