多年来，科学家们一直孜孜以求地探索如何精准操控、组合和构造光场，近日，意大利帕多瓦大学的研究团队凭借超表面技术带来了“光场魔法”的新玩法：成功实现了三维光束强度和偏振的精确整形，为光场调控开辟了全新的技术路径，未来可期！该研究以“Helico-conical vector beams for intensity and polarization 3D light shaping”为题发表在Optica期刊上，展示了一种亚波长尺度的光操控技术，为空间变化的偏振结构提供了智能且高效的解决方案。
研究人员设计了一种双功能超表面，用于生成新型矢量光束——螺旋锥形矢量光束。这种光束以非凡的方式，在可定制的单臂或双臂三维螺旋轨迹上展现出非均匀的偏振模式。该成果不仅为动态光学操控和光学捕获提供了集成光学架构的基础，还为光流体学和量子计算等前沿领域的突破创造了可能性。
螺旋锥形矢量光束（Helico-conical vector beams, HCVBs）是一种独具特色的轨道角动量光束，具有独特的螺旋状强度分布和自修复特性。在过去的研究中，研究人员通常依赖笨重的光学装置生成HCVBs，例如螺旋相位板或复杂干涉系统中的空间光调制器，这无形中为其实际应用设置了障碍。
在该研究中，研究人员提出了一种灵活的双功能超表面设计方法，在保持光学系统小型化的同时，能够以前所未有的方式实现对光的精确控制。通过对各向异性超原子进行琼斯矩阵建模发现，这些超原子在左旋和右旋圆偏振态下表现出自旋解耦特性。具体而言，每个超原子能够同时调制传输相位和几何相位，即具备两个已知的参数。利用该超原子编码两个不同的相位函数，即两个未知量。在数学上，两个已知量足以解出两个未知量。通过这种方式，生成了由相反自旋和轨道角动量值组合而成的HCVBs，这些光束在螺旋轨迹上展现出空间变化的偏振模式（如图1所示），为光场的灵活操控开辟了新路径。
矢量光束是指在空间中具有非均匀偏振态分布的一类特殊光束，与传统的标量光束形成鲜明对比。标量光束在空间中表现为均匀的偏振态分布，而矢量光束则可在局部区域内同时包含线偏振、圆偏振和椭圆偏振等多种偏振态。正是这种空间非均匀的偏振分布，使得矢量光束的描述更加复杂，但也赋予了它独特的光学特性和广泛的应用潜力。
利用这种“DIY”设计方法，研究人员成功开发了三种不同类型的超表面器件：单臂HCVB、具有相同涡旋态的双臂HCVB和具有相反涡旋态的双臂HCVB，其实验表征结果如图2所示，生动地展示了这些器件在生成复杂光场方面的卓越性能。
随后，研究人员对HCVBs的三维偏振光学响应特性进行了实验测试。图3（a）展示了单臂HCVB的实验结果，从1.42 mm收缩至1.58 mm，与理论模拟高度一致。图3（b）显示了具有相同涡旋态的双臂HCVB，其实验结果同样符合理论预期，并且双臂表现出互补的收缩和扩张特性。
这种双功能超表面设计方法巧妙地利用偏振这一额外自由度，为在三维空间中生成目标光场提供了一种紧凑、高效且快速的解决方案。超表面就像给光配备了一套“多功能工具箱”，不仅为动态光束整形提供了新思路，还为光流体学、量子计算等前沿领域打开了全新的窗口，让未来充满更多可能性。（原文链接：Vogliardi A, Bonaldo D, Dal Zilio S, et al. Helico-conical vector beams for intensity and polarization 3D light shaping[J]. Optica, 2024, 11(12): 1628.）
光子凭借速度快、大带宽、高并行和低能耗等独特优势，为突破当前算力瓶颈提供新途径，给智能计算领域带来全新的机遇。光速是信息传递速度的极限，加之其具有振幅、相位、偏振、频率、角动量等多个物理维度，使光子芯片具有极高的理论带宽。
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