撰稿人 | 刘萱，李贵新，周静
论文题目 | Dielectric metasurface zone plate for the generation of focusing vortex beams
作者 | 胡玉峰，刘萱，靳铭珂，唐宇涛，张学才，李敬辉，赵艳，李贵新，周静
完成单位 | 北京师范大学，南方科技大学
论文概述
北京师范大学物理学系周静教授课题组与南方科技大学材料科学与工程系李贵新教授课题组合作于2021年6月在 PhotoniX 期刊上发表了题为“Dielectric metasurface zone plate for the generation of focusing vortex beams”的论文。该论文基于菲涅耳波带片的概念设计了一种新的介质超构表面，用于生成、聚焦涡旋光束，并对携带不同轨道角动量的涡旋光束实现同轴干涉。这些功能是通过将涡旋光束的螺旋相位分布编码到超构表面的奇数带和偶数带区域中来实现的。论文所提出的聚焦涡旋光束实现方法结合了传统相位型菲涅耳波带片和超构表面的优点，为设计新型衍射光学元件提供新的思路。
研究背景
1992年英国科学家Allen等人提出具有螺旋相位 eilθ的拉盖尔-高斯光束中每个光子携带大小为 l?的轨道角动量，其中l是拓扑荷数，决定相位沿方位角θ方向的变化速度，l可以取任意整数，?是约化普朗克常数。携带轨道角动量的涡旋光束因其在粒子操纵、高维信息处理等领域的应用而备受关注。
光学超构表面是由空间变化的亚波长金属或介质超构单元组成的结构化超薄界面，能够在亚波长尺度下灵活调控光波的振幅、相位和偏振等。近年来，超构表面技术已成功应用于多个领域实现多种超薄紧凑的平面光学元件，如超构透镜、高效率全息图像器件、涡旋光束产生器等。最近，超构表面器件也被应用于量子信息领域，如基于介质超构表面实现量子态干涉、纠缠光子态的产生和重构、冷原子产生、高维纠缠光源等。
超构表面可以直接将螺旋相位分布eilθ引入，调制入射光的波前，从而产生涡旋光束。除了生成涡旋光束，超构表面还能将其它多种功能集成到单个光学芯片中。已有的研究工作表明，结合传统的透镜相位也能实现聚焦的涡旋光，但其中基于金属材料的等离激元超构表面设计在可见光波段的光学效率较低。为了进一步提高光学效率，介质超构表面和金属-介质-金属三层微腔结构超构表面的设计被相继提出。
技术突破
图1 介质超构表面波带片。(a)结构示意图；(b) SiNx超构单元的侧视和俯视图；(c)不同半径大小的超构单元周期排列，在633 nm波长处计算得到的相位延迟和透射率，其中高度 H = 1μm, 周期L = 430 nm。
该论文基于介质超构表面菲涅耳波带片在可见光波段实现了涡旋光束的产生和聚焦，并可对携带不同轨道角动量的涡旋光束实现同轴干涉。根据光学衍射原理，通过预设菲涅耳半波带的两组相邻波带的表面轮廓，可以控制入射光的传播，从而产生涡旋光、聚焦以及同轴干涉等。设计中，选择偏振不敏感的氮化硅纳米圆柱结构作为超构单元，通过调节超构单元的半径大小实现对入射光波的传播相位调制，且与入射光的偏振态无关。
图2 介质超构表面波带片的设计和制备。(a-d)设计携带不同拓扑荷的超表面波带片的相位分布图，(a) l = 2, (b) l = 3, (c) l = ± 2, (d) l = ± 3；(e-h) 对应于图(a-d)制备得到的超构表面样品的电子显微镜图像，比例尺：20 μm；(i-l)对应于图(e-h)的侧视电子显微镜图像，比例尺：1 μm。
图3 不同波长入射光所对应的涡旋光束强度分布。其中(a-d)携带拓扑荷l = 2，(i-l)携带拓扑荷l = 3，波长为(a, i) 633 nm，(b, j) 600 nm，(c, k) 570 nm和(d, l) 532 nm；(e-h)和(m-p)是在对应于(a-d)和(i-l)的焦平面处测得的强度分布，比例尺：10 μm。
观点评述
利用不同尺寸的氮化硅超构单元将涡旋光束的螺旋相位分布编码到菲涅耳半波带的奇数带和偶数带区域中，进而可实现涡旋光束的产生和聚焦。还可同时生成两个具有不同轨道角动量的涡旋光束，并实现它们的同轴干涉。此外，该论文利用傅里叶分析的方法，通过解析计算得出了相位型超构表面波带片的各级衍射效率，该方法可应用于其它具有周期或准周期结构的相位型器件的衍射效率计算。论文提出的超表面波带片提供了一种直观的途径来引入聚焦功能和螺旋相位，为设计具有多功能的涡旋光束提供新的途径。
主要作者
刘萱，北京工业大学材料与制造学部助理研究员。2012年本科毕业于安庆师范大学物理学专业，2017年于北京师范大学物理系光学专业取得博士学位，2017-2020年在南方科技大学从事博士后研究工作，2020年9月加入北京工业大学。主要从事线性及非线性光学超构表面功能器件及其物理机制研究，以第一或共同第一作者在包括Science Advances、Physical Review Applied、Laser & Photonics Reviews、Applied Physics Letters、Optics Express等期刊发表研究论文10余篇，授权中国发明专利1项，申请中国发明专利5项，申请国际PCT专利4项。
李贵新，南方科技大学材料科学与工程系教授、量子科学与工程研究院研究员。1999-2006毕业于北京师范大学物理系获学士、硕士学位，2009年于香港浸会大学物理系取得博士学位。曾于香港浸会大学、伦敦帝国理工学院、英国伯明翰大学、德国帕德博恩大学等研究机构任博士后、研究助理教授等职。主要研究领域：非线性光学超构表面、超构材料、几何相位。以第一和通讯作者身份在包括《自然-光子学》、《自然-物理学》、《自然-材料学》、《自然综述-材料学》、《自然-纳米技术》等期刊发表研究论文约80余篇。论文他引：6000余次。2019年求是杰出青年学者奖获得者，中国材料研究学会超材料分会常务理事。
周静，北京师范大学物理学系教授，1998-1999美国Texas A&M University 访问学者，曾任北京师范大学物理学系教学副系主任，现任《大学物理》期刊副主编兼编辑部主任；主要研究领域：信息光学、微纳光学，先后主持和参与国家自然科学基金、863、973项目多项。主讲课程：光学、电磁学、傅立叶光学。主要获奖：2009年北京市高校青年教师教学基本功比赛优秀指导教师奖，2010年北京师范大学最受本科生欢迎的“十佳教师”奖，2019年北京高校优质本科课程(光学)，2020年北京市高等学校教学名师奖。
本文出处
发表于：PhotoniX
论文链接：
https://photonix.springeropen.com/articles/10.1186/s43074-021-00035-z
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关于PhotoniX
PhotoniX是中国光学工程学会新办会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编，拥有强大的国际编委和编辑团队。属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。PhotoniX主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。
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