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近期，中國科學院上海光學精密機械研究所王俊研究員團隊基于全介質超表面在近紅外波段產生完美渦旋光束以及調制其拓撲電荷等的特性方面取得進展，相關研究成果以“Generation and control of high-reflection-efficiency perfect vortex beams based on all-dielectric metasurfaces”為題發表于Chinese Optics Letters。

近年來，具有獨立螺旋波前相關的軌道角動量的完美渦旋光束由于其光束直徑與拓撲電荷無關而受到廣泛的關注。完美渦旋光束有望在光纖通信、粒子操縱、量子信息等方面取得重大進展。目前，通過反射式全介質超表面產生高反射效率的完美渦旋光束報道較少，大多是通過金屬等來操控。此外，產生完美渦旋光束的方法大都基于軸棱錐來產生，環寬相對較寬，且環上的光功率密度相對較弱。

研究人員設計了全介質超表面，結合貝塞爾相息圖、螺旋相位板以及傅里葉變換透鏡，通過PB相位調制結構，實現了完美渦旋光束的產生，反射效率可高達90.17%。完美渦旋光束拓撲電荷以及環寬與直徑的靈活操控可通過調制不同的相位參數實現。此外，還演示了基于達曼光柵實現4通道完美渦旋光束陣列的產生，光束的均勻度為40%。該研究從仿真與實驗上驗證了高反射效率完美渦旋光束的產生，這將對實現緊湊型、多功能片上集成光子器件具有重要意義。

相關工作得到了國家重點研發計劃的支持。

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圖1 反射式完美渦旋光束產生示意圖

圖2?反射式完美渦旋光束實驗測試結果。(a)實驗裝置。(b) - (g)拓撲電荷分別為1、?1、2、?2、3和?3時的實驗結果。(h) - (i)完美渦旋光束陣列實驗結果。(j)制備超表面樣品的SEM圖像。(k)局部SEM放大圖。(l)模擬與實驗環直徑結果對比。(m) 模擬與實驗完美渦旋光束環寬結果對比。(n) - (q)完美渦旋光束與球面波干涉結果。