光学突破：超表面技术，实现单一设备中的无限光控制

最新研究表明，通过单一超表面利用相干波干涉实现无限功能复用。随着光学科学和应用的进步，对于能够将尽可能多的波控制功能集成到一个超紧凑系统中的多功能光学设备的需求不断增长。

传统的由介质材料制成的光学器件依赖于光的传播相位，这导致设备尺寸相对较大（相对于波长）和/或效率低下（由于缺乏磁响应）。此外，缺乏额外的自由度来操纵光使得使用传统介质创建具有多种功能的紧凑型光学设备变得具有挑战性，这显著阻碍了光学集成的发展。
超表面，由平面亚波长微结构组成的超薄超材料，具有特定、预设计的序列，为控制光波提供了非凡的能力，近年来受到了广泛关注。通过设计超原子和它们的排列，科学家们开发了各种能够在远场基于惠更斯原理形成定制光束的超表面，实现了局部控制散射波的相位和偏振。这种方法导致了多种波操纵功能，包括在单一超设备中的双功能和多功能能力。

对于这些双/多功能超设备，科学家们结合了多个机制产生的界面相位，以获得双/多功能光场控制，例如，同时利用由结构旋转引起的依赖于偏振的几何相位和与偏振无关的结构共振相位，在单一亚波长超薄设备中实现不同的功能，极大地推进了集成光学的发展。
然而，现有的多功能光场控制设备大多需要同时变化多种不同的入射光特性，而仅使用入射光偏振的变化只能展现出不超过两种不同的波控制功能，这是由独立入射偏振的数量决定的。

文章的作者提出了一种设计方法，通过连续变化入射光的偏振状态，基于相干波干涉调谐，设计出具有（理论上）无限数量波控制功能的超设备。研究在电信波长区域（1550纳米）进行了实验验证，并发表在《光电子进展》期刊上。
研究表明，入射偏振可以投影到左圆偏振（LCP）和右圆偏振（RCP）的基础上，即 _σ0=A+++A–_，_±_ 分别表示LCP和RCP分量。超表面散射的波可以通过LCP和RCP波阵面的线性分解来表示：_A+⋅F+(r)σ+(r)+A-⋅F-(r)σ-(r)_，_F±(r)_ 分别表示LCP和RCP波阵面。
独立设计这两种具有相反手性的分量波阵面，通过连续调整入射偏振，即LCP和RCP分量的比率，可以有效地调制通过相干干涉获得的总场的波阵面和局部偏振，从而复用（理论上）无限数量的波控制功能。
在设计了一系列具有定制反射相位和偏振转换能力的超原子后，构建了两个功能性超设备，并在偏振连续调整的光照射下实验计算了它们的波控制功能。

实验表明：
- 第一个设备产生了两个不同、不重叠的涡旋光束，其强度可以连续变化。
- 第二个设备产生了一个具有轨道角动量（OAM）和/或局部偏振分布（LPDs）的矢量涡旋光束，通过变化入射偏振连续调制。

实验结果与数值模拟和理论预测一致。
这些发现在实践中可以找到许多应用，并可以激发许多未来的研究。例如，扩展到近场和远场复杂和/或传输系统是有趣的未来项目，使用矢量光束作为入射光可以进一步丰富超设备的波操纵功能。
参考资料：DOI： 10.29026/oea.2024.240086