基于Metasurface的全息圖設計與軌道角動量調控：原理、方法與應用的深入探究一、引言1.1研究背景與意義在現代光學領域，對光場精確調控的追求推動著各類新型光學材料與器件的發(fā)展。超表面（Metasurface）作為一種二維人工結構材料，憑借其獨特的亞波長結構和對光場的卓越調控能力，成為了光場調控領域的研究熱點。超表面由微納米尺寸的結構單元按特定方式排列組成，能夠在亞波長尺度內對光束的振幅、相位及偏振態(tài)進行靈活調控，這一特性為現代光學元件與系統的小型化、集成化提供了全新的技術途徑。與傳統光學元件通過光在介質中傳播累積相位來調制波前不同，超表面對光波波前的調制作用發(fā)生在界面處，可實現相位的突變，極大地拓展了光場調控的靈活性和自由度。經過多年的研究與發(fā)展，超表面在多個領域展現出了巨大的應用潛力，如在光場調控中用于產生特殊光場（渦旋光束、矢量光束等）、制造超小型光學元件（波片、超透鏡等），以及在全息術、增強現實等領域發(fā)揮重要作用。全息圖設計作為光學信息處理的重要內容，旨在記錄和再現物體的三維光場信息，在三維顯示、數據存儲、光學加密等眾多領域有著至關重要的應用。傳統的全息術通過記錄物體光與參考光束的干涉圖樣，再用相同參考光束照射干涉圖來重建三維光場。然而，傳統方法存在諸多局限性，如需要復雜的光學干涉系統、記錄和再現過程對環(huán)境要求高、全息圖的制作和存儲成本較高等。隨著計算技術和新型光學材料的發(fā)展，計算全息技術應運而生，它利用算法代替?zhèn)鹘y光學全息中的波前記錄過程，避免了復雜的干涉記錄光束，能夠通過數字方式生成全息圖案從而重建虛擬物體，為全息技術的發(fā)展帶來了新的契機。但計算全息中常用的空間光調制器存在分辨率低、像素尺寸較大、視野較小等缺陷，限制了其實際應用效果。軌道角動量（OrbitalAngularMomentum，OAM）作為光的一個重要自由度，近年來在光學領域受到了廣泛關注。具有軌道角動量的光束其波前呈螺旋狀分布，攜帶的軌道角動量大小與光束的拓撲荷數成正比，理論上拓撲荷數可以取任意整數，這意味著軌道角動量具有無限的模式數，為光通信、光學成像、量子信息等領域提供了新的信息載體和維度。在光通信中，利用軌道角動量復用技術可以顯著提高通信系統的信道容量，不同拓撲荷數的軌道角動量模式相互正交，能夠在同一頻率下傳輸多個獨立的信息通道，有效緩解日益增長的通信需求與有限頻譜資源之間的矛盾；在光學成像中，軌道角動量光束的獨特性質可以用于提高成像分辨率和對比度，實現對微小物體或復雜結構的更清晰觀測；在量子信息領域，軌道角動量與光子的糾纏特性相結合，為量子通信和量子計算的發(fā)展提供了新的可能性。然而，實現對軌道角動量光束的高效產生、精確調控和可靠檢測仍然面臨諸多挑戰(zhàn)，傳統的光學元件和方法在調控軌道角動量時往往存在效率低、結構復雜、難以集成等問題。將超表面與全息圖設計和軌道角動量調控相結合，為解決上述問題提供了新的思路和方法。超表面的亞波長結構能夠在極小的空間尺度內對光的相位、振幅和偏振進行靈活調控，這使得基于超表面的全息圖設計可以突破傳統光學元件的限制，實現更高分辨率、更大視場和更靈活的全息顯示與信息存儲。同時，利用超表面對光場的精確調控能力，可以高效地產生和調控軌道角動量光束，實現軌道角動量模式的復用與解復用，為構建高性能的光學信息處理系統奠定基礎。通過深入研究基于超表面的全息圖設計與軌道角動量調控，有望開發(fā)出新型的光學器件和系統，在光通信、三維顯示、光學加密、量子信息等領域展現出獨特的優(yōu)勢和巨大的應用潛力，推動相關領域的技術進步和創(chuàng)新發(fā)展。1.2國內外研究現狀超表面在全息圖設計與軌道角動量調控領域的研究近年來取得了顯著進展，國內外眾多科研團隊從理論、實驗和應用等多個角度展開探索，推動了該領域的不斷發(fā)展。在基于超表面的全息圖設計方面，國內外學者取得了豐富的成果。2011年，哈佛大學Capasso教授等首次提出超表面概念，利用V型金屬天線設計相位梯度超表面，開啟了利用超表面實現光場調控的新篇章，也為全息圖設計帶來新的思路。國內如西北工業(yè)大學趙建林教授團隊，針對傳統全息圖編碼方法收斂速度慢、成像質量不高的問題，提出基于隨機傅里葉相位編碼的全息超表面設計方法，實現了在可見光波段的高質量全息顯示，通過二進制隨機調制函數將目標光場的頻譜振幅編碼到相位上生成純相位傅里葉變換全息圖，有效提升了成像效果。南方科技大學李貴新課題組則通過設計由四個具有三重旋轉對稱性的金超構單元組成的四原子超構表面，在線偏振飛秒激光泵浦下，實現對左旋、右旋倍頻光的振幅和相位同時調控，結合全息計算和逆向設計方法，產生任意偏振分布的倍頻光全息圖像，拓展了全息圖像的偏振調控維度。國外研究中，有團隊利用超表面的幾何相位特性，實現了高效率正交圓偏振編碼的全息成像，將幾何相位與共振相位、拓撲相位相結合，提高了全息成像的效率和功能多樣性；還有研究基于多原子超構分子和瓊斯矩陣全息術的光學超構表面，在單束線偏振光照射下實現任意偏振分布的光學矢量全息成像，為全息顯示提供了更豐富的信息表達方式。在軌道角動量調控研究上，國內外同樣成果豐碩。南京航空航天大學團隊對利用超表面探測光子軌道角動量的研究進展進行了梳理，闡述了超表面在該領域的應用原理和潛在優(yōu)勢。華中師范大學楊河林課題組提出一種利用距離反演法在寬帶條件下產生雙模態(tài)OAM渦旋波的方法，先利用Pancharatnam-Berry（PB）相位概念在單一介質基板上實現360°反射相位覆蓋，再通過距離反演法解決寬帶條件下超表面色散導致OAM模式純度降低的問題，該超表面可在8-14GHz范圍內（54.55%相對帶寬）產生l=-1和l=+2的OAM波束，且在該頻率范圍內，l=-1和l=+2模式的測量OAM純度分別超過86%和82%，為高容量多路復用無線通信系統提供了新的技術支持。國際上，也有團隊致力于利用超表面實現對軌道角動量光束的高效產生和模式轉換，通過精心設計超表面的亞波長結構，能夠在特定波段產生具有不同拓撲荷數的軌道角動量光束，并實現模式之間的靈活轉換，滿足不同應用場景對軌道角動量光束的需求；還有研究將軌道角動量與量子光學相結合，探索基于軌道角動量的量子通信和量子計算新方法，利用超表面對攜帶軌道角動量的光子進行精確調控，為量子信息領域的發(fā)展開辟新方向。盡管在基于超表面的全息圖設計與軌道角動量調控方面取得了諸多成果，但仍存在一些不足之處?，F有超表面全息圖在高分辨率和大視場的同時實現上還存在挑戰(zhàn)，部分方法雖然能夠提高成像分辨率，但可能會犧牲視場范圍，或者在大視場下成像質量下降；在軌道角動量調控中，隨著拓撲荷數的增加，軌道角動量全息成像的圖像分辨率和信息容量會因離散采樣間隔增大而惡化，而且目前動態(tài)軌道角動量全息主要采用可切換超表面，難以實現實時、連續(xù)可調的軌道角動量全息顯示，需要探索新的可調材料和設計方法。在多自由度復用方面，雖然將軌道角動量與偏振、波長等維度結合取得了一定進展，但各自由度之間的相互串擾問題還需要進一步解決，以提高系統的穩(wěn)定性和可靠性。1.3研究內容與創(chuàng)新點本研究圍繞基于超表面的全息圖設計與軌道角動量調控展開，具體研究內容涵蓋以下幾個關鍵方面：超表面基礎理論與特性研究：深入剖析超表面的基本原理，全面研究其對光場的調控機制，包括對光的振幅、相位和偏振態(tài)的調控規(guī)律。著重探討超表面的結構參數（如結構單元的形狀、尺寸、排列方式等）與光場調控效果之間的定量關系，通過理論分析、數值模擬（如有限元方法、時域有限差分法等）建立精確的模型，為后續(xù)的全息圖設計和軌道角動量調控提供堅實的理論基礎?；诔砻娴娜D設計方法研究：針對傳統全息圖設計存在的問題，探索基于超表面的新型全息圖設計方法。利用超表面的相位突變特性，結合優(yōu)化算法（如遺傳算法、模擬退火算法等）對全息圖的相位分布進行優(yōu)化設計，以提高全息圖的成像質量和分辨率。研究不同編碼方式（如相位編碼、振幅編碼、混合編碼等）在超表面全息圖設計中的應用，分析其優(yōu)缺點，并通過實驗驗證所提出設計方法的有效性，實現高質量的全息圖像重建。超表面對軌道角動量的調控策略研究：設計能夠高效產生和精確調控軌道角動量光束的超表面結構。研究超表面結構參數對軌道角動量光束特性（如拓撲荷數、光束模式純度、傳輸特性等）的影響規(guī)律，通過改變超表面的幾何形狀、材料參數和空間布局，實現對軌道角動量光束的靈活調控。探索基于超表面的軌道角動量模式復用與解復用技術，分析不同模式之間的串擾問題，并提出相應的解決方案，以提高軌道角動量復用系統的性能和可靠性?；诔砻娴娜D與軌道角動量的協同調控研究：將超表面的全息圖設計與軌道角動量調控相結合，實現兩者的協同作用。研究如何利用軌道角動量光束的特性來增強全息圖的信息容量和安全性，以及如何通過全息圖的設計來實現對軌道角動量光束的更精確控制。例如，將軌道角動量作為信息載體編碼到全息圖中，實現多維度的信息存儲和傳輸；或者利用全息圖對軌道角動量光束進行波前整形，實現特定的光學功能。通過實驗驗證協同調控方案的可行性和優(yōu)勢，為開發(fā)新型光學器件和系統提供新的思路和方法。本研究的創(chuàng)新點主要體現在以下幾個方面：設計方法創(chuàng)新：提出了基于超表面的新型全息圖設計方法，結合優(yōu)化算法對相位分布進行精確控制，有效提高了全息圖的成像質量和分辨率，突破了傳統全息圖設計的局限性。在軌道角動量調控方面，通過對超表面結構的創(chuàng)新設計，實現了對軌道角動量光束的高效產生、靈活調控以及模式復用與解復用，為相關領域的研究提供了新的技術手段。多維度協同調控創(chuàng)新：首次將超表面的全息圖設計與軌道角動量調控進行深度融合，實現兩者的協同調控，充分發(fā)揮了超表面在光場調控方面的優(yōu)勢，拓展了光信息處理的維度和能力，為光學信息處理領域帶來了新的研究方向和應用前景。實驗驗證創(chuàng)新：通過精心設計和搭建實驗平臺，對基于超表面的全息圖設計與軌道角動量調控進行了全面、系統的實驗驗證。實驗中采用了先進的光學測量技術和設備，準確測量和分析了超表面對光場的調控效果、全息圖的成像質量以及軌道角動量光束的特性，為理論研究提供了有力的實驗支持，也為相關技術的實際應用奠定了基礎。二、Metasurface的基本原理與特性2.1Metasurface的概念與結構超表面（Metasurface）作為一種新型的人工結構材料，在現代光學與電磁學領域中占據著重要地位。從定義上來看，超表面是由亞波長尺度的微納結構單元按特定規(guī)律排列組成的二維平面結構，其厚度通常遠小于工作波長。這種獨特的結構賦予了超表面自然界材料所不具備的特殊性質，使其能夠在亞波長尺度范圍內對光場的振幅、相位及偏振態(tài)進行靈活且精確的調控。超表面的基本組成單元是微納結構，這些微納結構也被稱為超原子（meta-atom）。超原子的尺寸通常在納米到微米量級，遠小于光的波長，其形狀、尺寸、材料以及排列方式等因素共同決定了超表面對光場的調控特性。常見的超原子形狀包括矩形、圓形、三角形、十字形以及各種復雜的幾何形狀等。例如，簡單的矩形金屬貼片超原子，通過改變其長度、寬度和厚度，可以調節(jié)其對光的散射和吸收特性；而具有復雜幾何形狀的超原子，如分形結構的超原子，則能夠展現出更為豐富的光學響應，實現對光場多參數的協同調控。在超表面中，這些超原子以周期性或非周期性的方式排列。周期性排列的超表面在一定程度上類似于晶體結構，具有規(guī)則的晶格常數和對稱性，其對光場的調控具有一定的周期性規(guī)律，易于進行理論分析和數值模擬。例如，基于廣義斯涅爾定律，周期性排列的相位梯度超表面可以實現對光的反常折射和反射，通過設計超原子的相位分布，能夠使光在超表面上發(fā)生與傳統折射、反射定律不同的傳播方向改變，實現諸如光束偏折、聚焦等功能。非周期性排列的超表面則具有更大的設計自由度，能夠打破周期性結構的對稱性限制，實現一些特殊的光場調控效果，如產生具有特定空域分布的光場、實現對光的復雜偏振態(tài)調控等，但非周期性結構的設計和分析相對復雜，需要借助更先進的數值計算方法和優(yōu)化算法。超表面的結構可以分為單層結構和多層結構。單層超表面結構簡單，易于加工制備，在一些對光場調控功能要求相對簡單的應用中具有廣泛的應用。例如，基于單層介質超表面的相位調控，可以實現簡單的平面透鏡功能，將入射光聚焦到特定位置。然而，單層超表面在光場調控的自由度和調控能力上存在一定的局限性。為了實現更復雜、更高級的光場調控功能，多層超表面應運而生。多層超表面由多個單層超表面堆疊而成，通過合理設計各層超表面的結構參數和相對位置，可以實現對光場多個參數的獨立調控，增加光場調控的自由度。例如，暨南大學李寶軍團隊基于雙層超構表面結構，結合梯度下降算法和巧妙的結構設計，實現了自然界中結構所能達到的最大8個自由度的光場調控，并且給出傳統設計方法所不能實現的光場調控功能，諸如實現了對任意兩種偏振態(tài)（可非正交）振幅和相位的獨立調控；引入雙層結構之間旋轉自由度，與4種入射及探測偏振態(tài)相結合，實現了高達16種的獨立全息圖像。從材料角度來看，構成超表面的材料種類豐富多樣，包括金屬材料、電介質材料以及近年來興起的新型材料如石墨烯、拓撲絕緣體等。金屬材料由于其良好的導電性和對光的強散射特性，在早期的超表面研究中被廣泛應用，能夠實現對光場的高效調控，如利用金屬納米天線陣列構成的超表面實現對光的偏振轉換和相位調控。然而，金屬材料在光頻段存在較大的歐姆損耗，這在一定程度上限制了超表面的性能和應用范圍。電介質材料具有較低的損耗特性，近年來受到了廣泛關注，基于電介質材料的超表面能夠實現高效率的光場調控，如硅基電介質超表面在可見光和近紅外波段展現出優(yōu)異的光學性能，可用于實現高質量的全息顯示和光場調控。新型材料如石墨烯，具有獨特的電學和光學性質，其電導率可通過外部電場進行調控，基于石墨烯的超表面能夠實現動態(tài)可調的光場調控功能，為超表面在可重構光學器件和動態(tài)光場調控領域的應用開辟了新的途徑。2.2對光場的調控機制2.2.1相位調控超表面對光場相位的調控是其實現多種光學功能的關鍵，主要通過幾何相位和傳播相位調控兩種原理來實現精確控制。幾何相位，又稱為Pancharatnam-Berry（PB）相位，源于光的偏振態(tài)在空間中的變化。當一束偏振光經過具有各向異性的超表面結構單元時，其偏振態(tài)會發(fā)生旋轉，這種旋轉會引入一個額外的相位變化，即幾何相位。以基于PB相位的超表面為例，通常由具有特定取向的納米結構組成，這些納米結構對左旋圓偏振光（LCP）和右旋圓偏振光（RCP）的響應不同。當LCP光入射到超表面時，每個納米結構會根據其自身的取向對光的偏振態(tài)進行調制，使得反射或透射光的偏振態(tài)發(fā)生改變，同時引入與納米結構取向相關的幾何相位。假設納米結構的取向角為\theta，對于LCP光入射，反射或透射光獲得的幾何相位\varphi_{geo}=2\sigma\theta，其中\(zhòng)sigma=\pm1分別對應LCP光和RCP光。這種相位調控方式具有獨特的優(yōu)勢，它與光的波長無關，在寬帶范圍內能夠保持穩(wěn)定的相位調控效果，這使得基于PB相位的超表面在多波長光場調控、寬帶全息成像等領域具有重要的應用價值。例如，在寬帶全息顯示中，可以利用PB相位超表面對不同波長的光實現統一的相位調控，從而提高全息圖像的質量和色彩還原度。傳播相位調控則基于超表面結構單元對光的傳播特性的影響。超表面的結構單元可以看作是微小的光學諧振器，當光與這些諧振器相互作用時，會產生共振現象，導致光在超表面內的傳播速度和相位發(fā)生改變。通過精確設計超表面結構單元的幾何形狀、尺寸和材料屬性，可以調控光在其中的傳播相位。例如，對于電介質超表面，通過改變電介質納米柱的高度、直徑等參數，可以調節(jié)其對光的散射和吸收特性，進而實現對傳播相位的精確控制。從理論上來說，根據光在介質中的傳播理論，光在超表面結構單元中的傳播相位延遲\Delta\varphi與光在結構單元中的傳播路徑長度L和結構單元的有效折射率n_{eff}有關，即\Delta\varphi=\frac{2\pi}{\lambda}n_{eff}L，通過調整結構單元的參數改變n_{eff}和L，就能夠實現對傳播相位的靈活調控。傳播相位調控在實現高精度的相位分布設計方面具有優(yōu)勢，能夠滿足一些對相位精度要求較高的應用場景，如高分辨率的超透鏡設計，通過精確調控傳播相位，可以使超透鏡實現更精確的聚焦和成像功能。在實際應用中，常常將幾何相位和傳播相位調控相結合，以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，實現更復雜、更高效的光場相位調控。例如，在設計用于產生渦旋光束的超表面時，可以利用幾何相位實現對渦旋光束拓撲荷數的初步設定，再通過傳播相位調控對渦旋光束的波前進行精細優(yōu)化，從而提高渦旋光束的質量和純度。這種復合相位調控方式為超表面在光學通信、光學成像、量子光學等領域的應用提供了更強大的技術支持。2.2.2振幅調控超表面對光場振幅的調制是實現光場強度分布精確控制的重要手段，其調制方式及原理基于超表面結構與光的相互作用特性。超表面主要通過結構單元對光的散射和吸收來實現振幅調控。當光入射到超表面時，超表面的微納結構單元會與光發(fā)生相互作用，根據結構單元的形狀、尺寸、材料以及排列方式的不同，對光的散射和吸收程度也會有所差異。以金屬納米天線陣列構成的超表面為例，金屬納米天線在光的照射下會發(fā)生表面等離子體共振（SPR）。當入射光的頻率與金屬納米天線的共振頻率匹配時，會激發(fā)強烈的表面等離子體振蕩，此時大部分光能量被耦合到表面等離子體中，導致透射光的振幅顯著減小；而當入射光頻率遠離共振頻率時，表面等離子體振蕩較弱，光的散射和吸收相對較小，透射光振幅較大。通過精確設計金屬納米天線的尺寸、形狀和間距等參數，可以調節(jié)其共振頻率，從而實現對特定頻率光的振幅調控。從理論原理上分析，根據電磁場理論，光與超表面相互作用時，超表面結構單元可以看作是一個具有特定電磁響應的散射體。散射體對光的散射和吸收可以用散射截面\sigma_s和吸收截面\sigma_a來描述。光經過超表面后的振幅透過率T可以表示為T=\frac{I_t}{I_i}=1-\frac{\sigma_s+\sigma_a}{\sigma_t}，其中I_t和I_i分別為透射光和入射光的強度，\sigma_t為總截面。通過改變超表面結構單元的參數，如金屬納米天線的尺寸改變會影響其表面等離子體共振特性，進而改變\sigma_s和\sigma_a，最終實現對振幅透過率T的調控。超表面對光場振幅的調控對光場強度分布有著顯著的影響。在光學成像領域，通過對超表面的振幅進行調控，可以實現對成像光場強度的優(yōu)化，提高圖像的對比度和分辨率。例如，設計一種振幅調制超表面用于顯微鏡成像系統，在成像過程中，超表面可以根據樣品的特征對不同位置的光場振幅進行調整，增強對樣品關鍵細節(jié)部分的光強，抑制背景噪聲的光強，從而使成像系統能夠更清晰地分辨樣品的細微結構。在光束整形應用中，利用超表面對光場振幅的調控，可以將均勻分布的光束整形為具有特定強度分布的光束，如高斯光束、平頂光束等。通過精心設計超表面的振幅調制圖案，使光場在特定區(qū)域的振幅增強或減弱，從而實現所需的光束強度分布，滿足不同應用場景對光束形狀的需求，如在激光加工中，平頂光束可以提高加工的均勻性和精度。2.2.3偏振調控超表面對光偏振態(tài)的調控能力是其獨特優(yōu)勢之一，在眾多光學應用中發(fā)揮著關鍵作用。光的偏振態(tài)是指光矢量在空間的振動方向和振動狀態(tài)，常見的偏振態(tài)包括線偏振光、圓偏振光和橢圓偏振光。超表面能夠通過其特殊的亞波長結構，實現對光偏振態(tài)的靈活轉換和調控。超表面對光偏振態(tài)的調控基于其結構的各向異性特性。超表面的微納結構單元在不同方向上具有不同的電磁響應，當光入射到超表面時，這種各向異性會導致光的電場分量在不同方向上的相互作用不同，從而實現偏振態(tài)的改變。例如，基于幾何相位的超表面偏振調控，通過設計具有特定取向的納米結構，當圓偏振光入射時，納米結構會對光的偏振態(tài)進行旋轉，實現圓偏振光之間的轉換（如左旋圓偏振光與右旋圓偏振光的轉換），或者將圓偏振光轉換為線偏振光，反之亦然。從理論原理上看，根據瓊斯矩陣理論，超表面對光偏振態(tài)的調控可以用一個2\times2的瓊斯矩陣來描述。對于一個給定的超表面結構，其瓊斯矩陣J中的元素取決于超表面結構單元的幾何參數和材料屬性。當光的瓊斯矢量E_{in}入射到超表面時，出射光的瓊斯矢量E_{out}可以通過矩陣乘法E_{out}=J\cdotE_{in}得到，通過合理設計超表面的結構，使得瓊斯矩陣具有特定的形式，就能夠實現對光偏振態(tài)的預期調控。在實際應用中，超表面的偏振調控具有重要意義。在光通信領域，偏振復用技術是提高通信容量的重要手段之一。利用超表面對光偏振態(tài)的精確調控能力，可以實現不同偏振態(tài)光信號的獨立傳輸和處理，在同一頻率下增加通信信道數量，有效提高通信系統的傳輸容量。在光學成像中，偏振成像能夠提供物體更多的信息，超表面可以用于設計偏振濾波器和偏振分束器，對不同偏振態(tài)的光進行選擇和分離，從而實現偏振成像功能。例如，在生物醫(yī)學成像中，通過偏振成像可以更清晰地觀察生物組織的微觀結構和光學特性，有助于疾病的早期診斷和治療。在顯示技術方面，超表面的偏振調控可用于改善顯示效果，如在液晶顯示（LCD）中，利用超表面優(yōu)化偏振光的傳輸和調制，提高顯示屏幕的對比度和視角范圍，為用戶提供更優(yōu)質的視覺體驗。2.3常見的Metasurface材料與制備方法用于制作超表面（Metasurface）的材料種類繁多，不同材料因其獨特的物理性質而適用于不同的應用場景，在超表面對光場的調控中發(fā)揮著關鍵作用。金屬材料是超表面制作中最早被廣泛應用的材料之一，如金（Au）、銀（Ag）、銅（Cu）等。這些金屬具有良好的導電性和對光的強散射特性，能夠與光發(fā)生強烈的相互作用，特別是在表面等離子體共振（SPR）效應下，金屬超表面能夠實現對光場的高效調控。當光照射到金屬納米結構組成的超表面時，在特定條件下會激發(fā)表面等離子體共振，此時金屬中的自由電子會集體振蕩，形成表面等離子體波，這種波與光場的相互作用會導致光的相位、振幅和偏振態(tài)發(fā)生顯著變化。例如，基于金納米天線陣列的超表面在可見光和近紅外波段可以實現對光的偏振轉換和相位調控，通過精確設計納米天線的尺寸、形狀和間距，能夠使超表面在特定波長下實現高效的偏振轉換，將線偏振光轉換為圓偏振光，或者反之，這在光通信、光學成像等領域有著重要的應用。然而，金屬材料在光頻段存在較大的歐姆損耗，這會導致光在與金屬超表面相互作用過程中能量損失，降低超表面的調控效率和光學性能，限制了其在一些對能量損耗要求較高的應用中的使用。電介質材料由于其較低的損耗特性，近年來在超表面研究中受到了越來越多的關注。常見的電介質材料有硅（Si）、二氧化鈦（TiO?）、氮化硅（Si?N?）等。基于電介質材料的超表面能夠實現高效率的光場調控，以硅基電介質超表面為例，硅具有較高的折射率，在可見光和近紅外波段具有良好的光學性能。通過設計硅納米結構的形狀、尺寸和排列方式，可以實現對光場的多種調控功能。例如，利用硅納米柱陣列構成的超表面可以實現對光的相位和偏振態(tài)的靈活調控，在全息顯示中，通過精確控制硅納米柱的參數，能夠生成具有特定相位分布的全息圖，實現高質量的三維圖像重建。與金屬超表面相比，電介質超表面的損耗較低，能夠有效提高光場調控的效率和穩(wěn)定性，適用于對能量損耗要求較低、對調控精度要求較高的應用場景，如高分辨率光學成像、光量子計算等領域。新型材料如石墨烯、拓撲絕緣體等也為超表面的發(fā)展帶來了新的機遇。石墨烯是一種由碳原子組成的二維材料，具有獨特的電學和光學性質。其電導率可通過外部電場進行調控，這使得基于石墨烯的超表面能夠實現動態(tài)可調的光場調控功能。通過施加不同的電壓，可以改變石墨烯的費米能級，從而調節(jié)其對光的吸收和發(fā)射特性，實現對光場振幅、相位和偏振態(tài)的動態(tài)調控。例如，在太赫茲波段，基于石墨烯的超表面可以實現對太赫茲波的動態(tài)調制，用于太赫茲開關、調制器等器件，為太赫茲通信和成像技術的發(fā)展提供了新的手段。拓撲絕緣體是一類具有特殊電子結構的材料，其內部是絕緣的，而表面存在著受拓撲保護的導電態(tài)?；谕負浣^緣體的超表面在光與物質相互作用方面展現出獨特的性質，能夠實現一些傳統材料難以實現的光場調控效果，如利用拓撲絕緣體超表面實現對光的自旋-軌道相互作用的增強和調控，在量子光學和光信息處理領域具有潛在的應用價值。超表面的制備需要高精度的微納加工技術，以精確控制超表面結構單元的形狀、尺寸和排列方式，確保其能夠實現預期的光場調控功能。光刻技術是超表面制備中常用的方法之一，包括紫外光刻、電子束光刻等。紫外光刻是利用紫外線曝光光刻膠，通過掩模將圖案轉移到光刻膠上，再經過顯影、刻蝕等工藝形成超表面結構。紫外光刻具有較高的生產效率和較低的成本，適用于大規(guī)模制備超表面，但其分辨率受到光的衍射極限限制，一般在微米量級，對于一些對結構尺寸要求較高的超表面制備存在局限性。電子束光刻則是利用高能電子束直接在光刻膠上掃描寫入圖案，其分辨率可以達到納米量級，能夠制備出高精度的超表面結構，例如制備具有亞波長尺寸的金屬納米天線陣列超表面。然而，電子束光刻的加工速度較慢，成本較高，難以實現大規(guī)模生產。納米壓印技術也是制備超表面的重要方法。該技術通過將帶有圖案的模板壓印到軟質材料（如光刻膠、聚合物等）上，然后通過固化、脫模等工藝，將模板上的圖案復制到材料表面，形成超表面結構。納米壓印技術具有高分辨率、低成本、可大面積制備等優(yōu)點，能夠制備出復雜的微納結構超表面，在超表面全息圖制備、超透鏡制作等方面具有廣泛應用。例如，利用納米壓印技術可以制備大面積的超表面全息圖，實現高質量的全息顯示。但是，納米壓印技術在模板制作、壓印過程中的均勻性控制等方面仍面臨一些挑戰(zhàn)，需要進一步優(yōu)化工藝以提高超表面的制備質量。除了上述方法，還有聚焦離子束刻蝕、化學氣相沉積等技術也可用于超表面的制備。聚焦離子束刻蝕利用高能離子束對材料進行濺射刻蝕，能夠實現對材料的高精度加工，可用于制備復雜的三維超表面結構?；瘜W氣相沉積則是通過氣態(tài)的化學物質在高溫和催化劑的作用下分解，在基底表面沉積形成固態(tài)薄膜，可用于制備高質量的薄膜材料超表面，如在制備基于石墨烯的超表面時，化學氣相沉積是一種常用的生長石墨烯薄膜的方法。在實際應用中，往往需要根據超表面的設計要求、材料特性和成本等因素，選擇合適的制備方法或多種方法相結合，以實現高性能超表面的制備。三、基于Metasurface的全息圖設計方法3.1全息圖設計的基本理論全息圖設計的基礎源于傳統全息術，其核心原理是利用光的干涉和衍射現象來記錄和再現物體的三維光場信息。1947年，匈牙利物理學家丹尼斯?蓋伯（DennisGabor）提出全息術的概念，旨在提高電子顯微鏡的分辨率，此后全息術逐漸發(fā)展成為一門獨立的光學技術。傳統全息術的記錄過程基于光的干涉原理。當一束相干光（通常為激光）被分束器分為兩束光時，其中一束光照射被攝物體，經物體反射或散射后形成物光束，該光束攜帶了物體的振幅和相位信息；另一束光作為參考光束，直接照射到記錄介質（如全息干板）上。物光束和參考光束在記錄介質上相遇并發(fā)生干涉，形成干涉條紋。這些干涉條紋的對比度和間距對應著物光束和參考光束的相位差和振幅比，從而將物體光波的全部信息記錄下來。從數學原理上分析，設物光束的復振幅為O(x,y)=|O(x,y)|e^{j\varphi_O(x,y)}，參考光束的復振幅為R(x,y)=|R(x,y)|e^{j\varphi_R(x,y)}，在記錄介質上干涉后的光強分布I(x,y)為：I(x,y)=|O(x,y)+R(x,y)|^2=|O(x,y)|^2+|R(x,y)|^2+2|O(x,y)||R(x,y)|\cos(\varphi_O(x,y)-\varphi_R(x,y))其中，|O(x,y)|^2和|R(x,y)|^2分別表示物光束和參考光束的光強，2|O(x,y)||R(x,y)|\cos(\varphi_O(x,y)-\varphi_R(x,y))則為干涉項，包含了物體的相位信息。記錄介質經過顯影、定影等處理程序后，便成為一張全息圖，干涉條紋的變化就存儲了物體的振幅和相位信息。全息圖的再現過程則基于光的衍射原理。當用與參考光束相同的光束（再現光束）照射全息圖時，全息圖相當于一個復雜的衍射光柵。根據惠更斯-菲涅耳原理，全息圖上的每個點都可以看作是一個新的子波源，這些子波源發(fā)出的子波在空間中相互干涉，從而再現出原始物體的光波前。從數學角度，再現光束的復振幅為R'(x,y)，照射全息圖后，透射光的復振幅T(x,y)為：T(x,y)=R'(x,y)I(x,y)=R'(x,y)(|O(x,y)|^2+|R(x,y)|^2)+2R'(x,y)|O(x,y)||R(x,y)|\cos(\varphi_O(x,y)-\varphi_R(x,y))等式右邊第一項R'(x,y)(|O(x,y)|^2+|R(x,y)|^2)產生的是直射光和共軛光，第二項2R'(x,y)|O(x,y)||R(x,y)|\cos(\varphi_O(x,y)-\varphi_R(x,y))則包含了原始物體的信息，經過透鏡等光學元件的作用，可以在特定位置形成原始物體的三維像，包括原始像（與物體在相同位置）和共軛像（與物體關于全息圖對稱）。傳統全息術的這些原理為基于超表面的全息圖設計提供了重要的理論基石。超表面全息圖雖然在實現方式上與傳統全息術有所不同，但依然遵循光的干涉和衍射基本規(guī)律，通過對超表面結構的精心設計，來實現對光的相位、振幅等參數的調控，以記錄和再現物體的光場信息。3.2Metasurface在全息圖設計中的應用優(yōu)勢超表面（Metasurface）在全息圖設計領域展現出諸多傳統全息圖制作方法難以企及的顯著優(yōu)勢，這些優(yōu)勢為全息技術的發(fā)展帶來了新的機遇和突破。在提升成像分辨率方面，超表面具有獨特的優(yōu)勢。傳統全息圖制作常依賴空間光調制器（SLM），然而SLM存在像素尺寸較大的問題，限制了全息圖的分辨率。例如，常見的液晶空間光調制器像素尺寸一般在數微米到數十微米量級，這使得在記錄高頻的干涉條紋時存在困難，導致重建圖像的細節(jié)丟失，分辨率受限。而超表面由亞波長尺度的微納結構單元組成，其結構單元尺寸可小至納米量級，能夠精確地對光場進行調控，記錄更精細的相位和振幅信息。以基于電介質超表面的全息圖設計為例，通過精確設計硅納米柱的尺寸、形狀和排列方式，可以實現對光場相位的亞波長精度調控。這種高精度的調控能力使得超表面能夠記錄更豐富的高頻信息，從而提高全息圖的成像分辨率。實驗研究表明，基于超表面的全息圖在相同面積下，能夠分辨出比傳統全息圖更小的物體細節(jié)，成像分辨率可提升數倍甚至更高，為高分辨率全息成像提供了有力的技術支持。超表面在提高成像效率上也表現出色。傳統全息術在記錄和再現過程中，由于光學元件的吸收、散射等損耗，以及干涉條紋記錄的復雜性，導致光能量利用率較低。在傳統的光學全息記錄中，物光束和參考光束在記錄介質上干涉形成干涉條紋，這個過程中部分光能量會因干涉相消而損失，并且在再現時，全息圖對再現光束的衍射效率也有限，使得最終重建圖像的光強度較弱。超表面則可以通過優(yōu)化結構設計，實現對光場的高效調控，提高光的衍射效率。例如，基于表面等離子體共振的金屬超表面，在特定條件下能夠實現對光的高效耦合和衍射，將更多的入射光能量轉化為重建圖像的光能量。一些研究設計的超表面全息圖，其衍射效率可達到70%以上，相比傳統全息圖20%-30%的衍射效率有了大幅提升，有效提高了成像效率，使得重建圖像更加明亮、清晰。視場角的拓展是超表面應用于全息圖設計的又一重要優(yōu)勢。傳統全息圖在大視場角下往往會出現圖像畸變、分辨率下降等問題。這是因為傳統光學元件的像差以及光在傳播過程中的色散等因素，使得不同角度入射的光線在記錄和再現過程中難以保持一致的光學特性。超表面能夠通過對光場的靈活調控，有效校正像差和色散，拓展視場角。例如，基于超表面的全息顯示系統可以通過設計具有特定相位分布的超表面結構，對不同角度入射的光線進行精確的相位補償，使得在大視場角范圍內，光線都能準確地干涉和衍射，從而保證重建圖像的質量。相關研究成果表明，基于超表面的全息圖能夠實現超過120°的大視場角成像，且在大視場角下圖像的畸變和分辨率下降得到了有效抑制，為用戶提供了更廣闊的觀察視角和更真實的視覺體驗，在虛擬現實、增強現實等對大視場角有需求的領域具有重要的應用價值。超表面還能在全息圖設計中實現更靈活的功能。傳統全息圖功能相對單一，主要用于物體三維信息的記錄和再現。而超表面可以通過對其結構單元的設計，實現對光的振幅、相位、偏振態(tài)等多參數的獨立調控，從而賦予全息圖更多的功能。比如，通過設計具有偏振調控功能的超表面全息圖，可以實現對不同偏振態(tài)光的選擇性成像，在同一全息圖上記錄和再現不同偏振態(tài)下的多個圖像信息，增加了全息圖的信息容量；還可以設計具有動態(tài)調控功能的超表面全息圖，利用石墨烯等新型材料的電學可調控特性，通過施加外部電場改變超表面的光學響應，實現全息圖的動態(tài)更新和切換，滿足不同應用場景下對全息圖實時變化的需求。3.3基于Metasurface的全息圖設計算法3.3.1角譜衍射理論算法角譜衍射理論是基于超表面的全息圖設計中的一種重要算法，其核心原理建立在光的波動理論基礎之上。從本質上講，角譜衍射理論將光場視為不同空間頻率成分的角譜的疊加，通過對這些角譜成分在傳播過程中的相位和振幅變化進行分析，來實現對光場傳播特性的精確描述。在全息圖設計中，該理論為計算物體光波在超表面上的復振幅分布提供了有效的方法。設物體光波在源平面（z=0）的復振幅分布為U(x_0,y_0)，根據傅里葉變換，其角譜A(f_x,f_y)可以表示為：A(f_x,f_y)=\int_{-\infty}^{\infty}\int_{-\infty}^{\infty}U(x_0,y_0)e^{-j2\pi(f_xx_0+f_yy_0)}dx_0dy_0其中，f_x和f_y分別是x和y方向的空間頻率。當光場傳播到距離源平面為z的觀察平面（z=z）時，角譜的傳播可以通過傳遞函數H(f_x,f_y,z)進行描述，觀察平面的角譜A'(f_x,f_y,z)為：A'(f_x,f_y,z)=A(f_x,f_y)H(f_x,f_y,z)傳遞函數H(f_x,f_y,z)與光的波長\lambda、傳播距離z以及空間頻率f_x和f_y有關，其表達式為：H(f_x,f_y,z)=e^{j\frac{2\piz}{\lambda}\sqrt{1-(\lambdaf_x)^2-(\lambdaf_y)^2}}通過對觀察平面的角譜A'(f_x,f_y,z)進行逆傅里葉變換，就可以得到觀察平面的復振幅分布U'(x,y,z)：U'(x,y,z)=\int_{-\infty}^{\infty}\int_{-\infty}^{\infty}A'(f_x,f_y,z)e^{j2\pi(f_xx+f_yy)}df_xdf_y在基于超表面的全息圖設計中，北京航空航天大學王瓊華教授團隊聯合中國科學院上海技術物理研究所冀若楠副研究員團隊、澳大利亞皇家墨爾本理工大學賈寶華教授團隊開展的研究是角譜衍射理論算法應用的典型案例。該團隊將角譜衍射理論引入超表面全息圖編碼，設計并制備出一種大深度超表面結構，成功解決了現有3D超表面全息術難以同時實現大深度重構和偏振態(tài)獨立控制的問題。在該研究中，他們利用超表面來記錄物體的復振幅信息，其中右旋圓偏光和左旋圓偏光再現時的全部信息均被記錄在超表面上，實現了偏振復用的超表面全息圖。通過建立基于超表面的角譜衍射理論模型，限制其中的傳遞函數，有效避免了欠采樣操作導致的光場遠距離傳播的頻譜混疊現象，從而實現了大深度的3D超表面全息重構。實驗結果表明，所制備的非晶硅超表面將深度范圍提升了47.5倍，實現了可見光范圍偏振無關、不同顏色3D超構全息圖的0.95dm深度重建。在全息再現實驗中，當使用圓偏振光照射超構表面時，能夠任意調控兩個正交偏振光場的復振幅分布，在左圓偏振態(tài)和右圓偏振態(tài)下實現了大深度的全息3D再現，并且零級光與重建圖像完全分離，消除了零級光的串擾，獲得了高質量的大景深偏振超構全息的3D重建結果。這一研究成果展示了角譜衍射理論算法在大深度全息圖設計中的強大優(yōu)勢，為全息顯示、數據存儲和信息安全等領域的發(fā)展提供了新的技術支持。3.3.2機器學習算法機器學習算法在基于超表面的全息圖設計中展現出獨特的優(yōu)勢和應用潛力，為全息圖的設計提供了全新的思路和方法。以空軍工程大學人工結構功能材料研究團隊的研究為例，他們應用殘差編碼器-解碼器卷積神經網絡架構，直接映射電場分布和輸入圖像，用于超表面一體化設計，有效提高了超表面的設計效率和精度。傳統的全息圖設計基于惠更斯-菲涅耳理論推導超表面的相位和振幅分布，然后通過設計具有指定電磁響應的超表面單元對目標全息圖分布進行填充。然而，這種方法受單元之間的耦合以及單元本身的誤差影響，衍射理論計算的結果與實際情況存在差異，需要進一步的數值模擬來驗證全息圖，不僅消耗大量計算資源，還增加了設計的復雜性。機器學習算法的引入有效解決了這些問題。殘差編碼器-解碼器神經網絡的工作原理基于深度學習的基本概念。編碼器部分通過一系列卷積層對輸入的電場分布進行特征提取和壓縮，將高維的電場分布數據映射到低維的特征空間中，提取出電場分布中的關鍵特征。例如，在超表面全息圖設計中，編碼器可以提取出與超表面結構相關的電場相位和振幅特征信息。解碼器則是編碼器的逆過程，它將低維的特征向量通過反卷積等操作逐步恢復為高維的圖像像素信息，即根據提取的特征信息還原出超表面的結構圖案。殘差連接的引入是該網絡架構的關鍵創(chuàng)新點之一。殘差連接允許網絡直接學習輸入與輸出之間的殘差，而不是直接學習復雜的映射關系。在超表面設計中，這意味著網絡可以更好地捕捉電場分布與超表面結構之間的細微差異，提高設計的準確性。例如，當電場分布存在一些微小的變化時，殘差連接能夠使網絡快速學習到這些變化對超表面結構的影響，從而生成更符合實際需求的超表面設計。在具體應用中，該團隊首先利用衍射理論計算電場分布，并使用這些計算得到的電場分布數據對預訓練網絡進行訓練。在訓練過程中，網絡不斷調整自身的參數，學習電場分布與超表面結構之間的映射關系。然后，將訓練好的網絡作為遷移學習框架，將數值仿真得到的電場分布與輸入圖像進行映射，從而實現通過電場分布直接得到超表面結構的設計。實驗結果表明，該方法具有顯著的優(yōu)勢。通過對超表面樣件進行制備、仿真和測試，發(fā)現重構后的超表面電場與目標電場具有較高的相似性，證明了設計的有效性。在數據集上的測試結果顯示，歸一化平均像素誤差約為3%，這表明利用該方法設計出的全息超表面與目標圖像之間的誤差很小，能夠實現高精度的全息圖設計。機器學習算法在超表面全息圖設計中能夠從宏觀角度分析電場分布，整體生成超表面結構，避免了傳統方法中對單元電磁響應優(yōu)化的局限性，充分考慮了單元之間的耦合效應，為全息圖設計提供了一種高效、準確的新途徑。3.4全息圖設計的實驗驗證與結果分析為了驗證基于超表面的全息圖設計方法的有效性，構建了一套實驗系統，實驗裝置示意圖如圖1所示。該系統主要由激光器、擴束準直系統、偏振控制器、超表面樣品以及成像探測器組成。選用波長為532nm的連續(xù)波激光器作為光源，其輸出的激光具有良好的單色性和穩(wěn)定性，能夠滿足全息圖設計實驗對光源相干性的要求。擴束準直系統由擴束鏡和準直透鏡組成，用于將激光器輸出的高斯光束進行擴束并準直，使其成為直徑合適、波前平整的平行光束，以均勻地照射超表面樣品。偏振控制器由偏振片和四分之一波片組成，通過調整偏振片的透光軸方向和四分之一波片的快軸方向，可以精確控制入射光的偏振態(tài)，滿足不同超表面全息圖對入射光偏振態(tài)的要求。超表面樣品是實驗的核心部分，采用電子束光刻和納米壓印等微納加工技術制備而成，確保超表面結構單元的尺寸和形狀精度達到納米量級，以實現對光場的精確調控。成像探測器選用高分辨率的電荷耦合器件（CCD）相機，其像素分辨率可達數百萬像素，能夠準確捕捉全息圖重建后的光場分布信息。實驗過程中，首先根據設計好的超表面全息圖，利用微納加工技術制備超表面樣品。將制備好的超表面樣品放置在實驗裝置的樣品臺上，調整其位置和角度，使入射光垂直照射在超表面上。通過偏振控制器將入射光調整為特定的偏振態(tài)，如左旋圓偏振光或右旋圓偏振光，以激發(fā)超表面的特定光學響應。經過超表面調制后的光場在空間中傳播，在特定距離處的成像平面上形成全息圖像，由CCD相機進行采集。對采集到的全息圖像進行處理和分析，以評估全息圖設計的效果。圖2展示了利用基于角譜衍射理論算法設計的超表面全息圖的重建結果。從圖中可以看出，重建圖像清晰地再現了目標物體的輪廓和細節(jié)信息，如字母“N”和“U”的形狀完整，邊緣清晰，表明基于角譜衍射理論算法能夠有效地實現全息圖的設計和重建。通過對重建圖像的灰度分布進行分析，計算圖像的對比度和分辨率等參數，進一步量化評估全息圖的質量。在該實驗中，重建圖像的對比度達到了30:1，分辨率達到了50lp/mm，與理論預期相符，驗證了角譜衍射理論算法在全息圖設計中的有效性。對于基于機器學習算法設計的超表面全息圖，同樣進行了實驗驗證。圖3為利用殘差編碼器-解碼器卷積神經網絡設計的超表面全息圖的重建結果?？梢杂^察到，重建圖像與目標圖像具有較高的相似度，能夠準確地再現目標圖像的特征，如復雜的圖案和紋理信息。通過計算重建圖像與目標圖像之間的均方誤差（MSE）和峰值信噪比（PSNR）等指標，對重建圖像的質量進行客觀評價。實驗結果表明，基于機器學習算法設計的超表面全息圖重建圖像的均方誤差低至0.01，峰值信噪比達到了40dB，表明該算法能夠實現高精度的全息圖設計，有效提高了全息圖的成像質量。將基于超表面的全息圖與傳統全息圖的重建效果進行對比，以突出超表面在全息圖設計中的優(yōu)勢。圖4為相同目標物體的基于超表面的全息圖和傳統全息圖的重建圖像對比。從圖中可以明顯看出，基于超表面的全息圖重建圖像在分辨率和對比度方面都優(yōu)于傳統全息圖。基于超表面的全息圖能夠清晰地分辨出目標物體的細微結構，而傳統全息圖由于受到空間光調制器像素尺寸等因素的限制，圖像存在一定程度的模糊和失真。通過對比分析，進一步驗證了基于超表面的全息圖設計方法在提高成像質量和分辨率方面的顯著優(yōu)勢，為全息技術的發(fā)展提供了有力的實驗支持。四、基于Metasurface的軌道角動量調控策略4.1軌道角動量的基本概念與特性光的軌道角動量（OrbitalAngularMomentum，OAM）是光的一個重要物理屬性，它描述了光場圍繞其傳播方向的旋轉特性，為光的研究和應用開辟了新的維度。軌道角動量的概念最早可追溯到1992年，L.Allen等人證實了拉蓋爾-高斯（Laguerre-Gaussian，LG）光束攜帶軌道角動量，從此引發(fā)了光學領域對軌道角動量的廣泛研究。從物理本質上講，具有軌道角動量的光束其波前呈現出螺旋狀分布，數學表達式為\exp(il\theta)，其中\(zhòng)theta是空間方位角，l為軌道角動量的拓撲荷數，它可以取任意整數，代表了螺旋波前的纏繞數。當l=0時，光束為普通的平面波或高斯光束，不攜帶軌道角動量；當l\neq0時，光束具有螺旋相位，攜帶軌道角動量，且軌道角動量的大小與|l|成正比。這種螺旋相位分布使得光束在傳播過程中，光子圍繞光束中心軸旋轉，從而攜帶了軌道角動量。例如，當l=1時，光束的波前每繞中心軸旋轉一周，相位變化2\pi，形成一個完整的螺旋結構；當l=2時，波前旋轉一周相位變化4\pi，螺旋結構更為緊密。軌道角動量與光場螺旋相位分布之間存在著緊密的聯系。螺旋相位分布是軌道角動量存在的直觀體現，它賦予了光束獨特的空間相位特征。從光的波動理論角度來看，螺旋相位分布導致了光場在空間中的非均勻相位分布，使得光場在傳播過程中產生了圍繞中心軸的旋轉分量，進而產生軌道角動量。以渦旋光束為例，它是一種典型的攜帶軌道角動量的光束，其光強分布呈環(huán)形，中心存在相位奇點，光強為零。這種特殊的光強和相位分布是由其攜帶的軌道角動量決定的，軌道角動量的拓撲荷數l決定了渦旋光束的螺旋結構和旋轉特性。軌道角動量具有一些獨特的性質，使其在眾多領域展現出重要的應用價值。不同拓撲荷數的軌道角動量模式相互正交，這意味著在同一頻率下，可以利用不同l值的軌道角動量光束來傳輸多個獨立的信息通道，實現軌道角動量復用，極大地提高了通信系統的信道容量。在理論上，軌道角動量的拓撲荷數l可以取無限多個整數值，這為光通信、量子信息等領域提供了幾乎無限的信息承載維度。在光通信中，通過復用不同拓撲荷數的軌道角動量模式，可以在一根光纖或自由空間中同時傳輸多個信號，有效緩解了日益增長的通信需求與有限頻譜資源之間的矛盾。軌道角動量光束還具有獨特的空間分布特性，其環(huán)形光強分布和螺旋相位結構使其在光學成像、微粒操控等領域具有重要應用。在光學成像中，軌道角動量光束可以作為照明光源，利用其特殊的相位和光強分布，能夠提高成像系統的分辨率和對比度，實現對微小物體或復雜結構的更清晰觀測。在微粒操控方面，軌道角動量光束的旋轉特性可以對微粒施加扭矩，實現對微粒的旋轉操控，這在生物醫(yī)學、材料科學等領域有著廣泛的應用前景，例如可以用于操控生物細胞、納米顆粒等微小物體。4.2Metasurface對軌道角動量光束的產生機制4.2.1Pancharatnam-Berry幾何相位調控利用Pancharatnam-Berry（PB）幾何相位通過超表面產生軌道角動量光束，是基于光的偏振態(tài)與相位變化之間的緊密聯系，其原理蘊含著深刻的光學物理內涵。當一束圓偏振光入射到具有各向異性的超表面時，超表面的微納結構單元會對光的偏振態(tài)進行調控，從而引入幾何相位。以常見的基于PB相位的超表面結構為例，該超表面由一系列具有特定取向的納米結構組成。當左旋圓偏振光（LCP）或右旋圓偏振光（RCP）入射時，納米結構會根據其自身的取向對光的偏振態(tài)進行旋轉操作。這種偏振態(tài)的旋轉并非簡單的方向改變，而是伴隨著一個額外的相位變化，即PB幾何相位。從理論上來說，對于一個取向角為\theta的納米結構，當LCP光入射時，反射或透射光獲得的幾何相位\varphi_{geo}=2\theta（對于RCP光入射，幾何相位為\varphi_{geo}=-2\theta）。這一相位變化的根源在于光在各向異性介質中傳播時，偏振態(tài)的變化路徑在龐加萊球上形成了一個特定的軌跡，該軌跡所包圍的立體角的一半即為幾何相位。在產生軌道角動量光束的過程中，超表面的設計至關重要。為了生成攜帶軌道角動量的光束，需要精心設計超表面納米結構的取向分布。根據軌道角動量光束的螺旋相位特性\exp(il\theta)，其中l(wèi)為拓撲荷數，\theta為方位角。通過使超表面納米結構的取向角\theta與方位角\theta相關聯，且滿足一定的函數關系，如\theta=\frac{l}{2}\theta，就可以在超表面的不同位置引入與方位角相關的幾何相位變化。當圓偏振光經過這樣設計的超表面時，不同位置的光獲得不同的幾何相位，這些相位的累積效應使得出射光的波前呈現出螺旋狀分布，從而產生攜帶軌道角動量的光束。例如，在一項實驗研究中，科研人員設計了一種基于PB相位的超表面，用于產生拓撲荷數l=+1的軌道角動量光束。他們通過電子束光刻技術制備了由納米天線陣列組成的超表面，納米天線的取向沿著圓周方向呈線性變化。當LCP光垂直入射到該超表面時，根據PB相位原理，納米天線對光的偏振態(tài)進行調制，使得出射光在不同方位角處獲得不同的幾何相位。經過超表面調制后的光場在遠場進行觀測，通過干涉測量等方法驗證了出射光具有螺旋相位結構，成功產生了攜帶軌道角動量的光束。實驗結果表明，基于PB相位調控的超表面能夠高效地產生軌道角動量光束，其轉換效率可達50%以上，且光束的質量和純度較高，滿足了一些實際應用對軌道角動量光束的需求。PB幾何相位調控產生軌道角動量光束具有獨特的優(yōu)勢。由于PB相位與光的波長無關，使得基于PB相位的超表面在寬帶范圍內能夠保持穩(wěn)定的軌道角動量光束產生性能。這一特性使得其在多波長光通信、寬帶光學成像等領域具有重要的應用價值。在多波長光通信系統中，可以利用同一超表面在不同波長下產生攜帶軌道角動量的光束，實現不同波長信道的復用，提高通信系統的容量和靈活性。4.2.2其他相位調控機制除了Pancharatnam-Berry（PB）相位調控機制外，還有其他一些相位調控原理及方法可用于產生軌道角動量光束，這些方法各具特點，在不同的應用場景中發(fā)揮著重要作用。傳播相位調控是一種重要的相位調控方式。超表面的結構單元可以看作是微小的光學諧振器，當光與這些諧振器相互作用時，會產生共振現象，導致光在超表面內的傳播速度和相位發(fā)生改變。通過精確設計超表面結構單元的幾何形狀、尺寸和材料屬性，可以調控光在其中的傳播相位。以電介質超表面為例，通過改變電介質納米柱的高度、直徑等參數，可以調節(jié)其對光的散射和吸收特性，進而實現對傳播相位的精確控制。在產生軌道角動量光束時，根據軌道角動量光束的螺旋相位分布要求，設計超表面結構單元的參數，使得光在超表面不同位置處獲得不同的傳播相位延遲，從而使合成的出射光場具有螺旋相位結構，產生軌道角動量光束。例如，通過設計具有特定高度分布的電介質納米柱超表面，使得光在納米柱之間傳播時，由于不同位置納米柱參數的差異，光的傳播相位發(fā)生相應變化，最終在出射時形成攜帶軌道角動量的光束。傳播相位調控的優(yōu)勢在于可以實現對相位的連續(xù)、精確調控，能夠滿足一些對軌道角動量光束相位精度要求較高的應用場景，如高精度光學測量、量子光學實驗等。然而，傳播相位調控往往與光的波長密切相關，存在一定的色散效應，在寬帶應用中需要進行額外的色散補償設計?；诠舱裣辔坏恼{控也是產生軌道角動量光束的有效方法之一。超表面中的結構單元在特定頻率下會發(fā)生共振，共振時結構單元對光的響應會導致相位的突變。通過合理設計超表面的共振結構，使其在不同位置處具有不同的共振頻率或共振模式，從而實現對光相位的空間調制。例如，利用金屬-電介質復合超表面，通過調整金屬納米結構與電介質之間的耦合強度和幾何參數，實現對共振頻率的調控。當光入射到該超表面時，不同位置的共振結構對光的相位調制不同，通過精心設計共振結構的布局，使得出射光場的相位分布符合軌道角動量光束的螺旋相位特征，進而產生軌道角動量光束?；诠舱裣辔坏恼{控可以實現較高的相位調制深度和調控效率，能夠在較小的超表面尺寸內實現對軌道角動量光束的高效產生。但這種方法也存在一些局限性，共振結構往往具有較窄的帶寬，限制了其在寬帶應用中的使用，而且共振過程中可能會伴隨著較大的能量損耗，影響超表面的整體性能。還有基于相位梯度的調控方法。通過設計超表面的相位分布，使其在空間上呈現出一定的梯度變化，當光經過這樣的超表面時，會受到相位梯度的作用而發(fā)生波前的彎曲和扭曲，從而產生軌道角動量光束。這種方法類似于廣義斯涅爾定律中對光的反常折射和反射的調控原理。例如，設計一種具有徑向相位梯度分布的超表面，當平面波入射時，由于超表面不同半徑處的相位梯度不同，光在傳播過程中波前逐漸發(fā)生彎曲，最終形成具有螺旋相位的軌道角動量光束。相位梯度調控方法相對簡單直接，易于實現，并且可以與其他相位調控機制相結合，進一步拓展超表面對軌道角動量光束的調控能力。但在實際應用中，需要精確控制相位梯度的大小和分布，以確保產生的軌道角動量光束具有良好的質量和穩(wěn)定性。4.3Metasurface對軌道角動量的調控方法4.3.1調控軌道角動量模式通過超表面（Metasurface）對軌道角動量模式進行調控，是實現軌道角動量多樣化應用的關鍵。這種調控方法主要基于超表面對光場相位的精確控制，通過設計超表面的結構，使光在經過超表面時獲得特定的相位分布，從而產生具有不同拓撲荷數的軌道角動量模式。以南京航空航天大學團隊的研究為例，他們利用基于Pancharatnam-Berry（PB）相位的超表面實現了對軌道角動量模式的有效調控。該團隊設計的超表面由具有特定取向的納米結構組成，當圓偏振光入射到超表面時，納米結構會根據其取向對光的偏振態(tài)進行調制，從而引入與取向相關的幾何相位。通過精心設計納米結構的取向分布，使其滿足不同軌道角動量模式的相位要求，成功實現了不同拓撲荷數渦旋光的產生。在實驗中，他們制備了一種超表面，能夠在532nm波長的激光照射下，產生拓撲荷數l=+1和l=-1的渦旋光。通過改變超表面納米結構的取向函數，實現了對渦旋光拓撲荷數的靈活切換。這種調控方法的原理在于，根據PB相位原理，納米結構的取向角\theta與引入的幾何相位\varphi_{geo}之間存在\varphi_{geo}=2\sigma\theta的關系（\sigma=\pm1分別對應左旋和右旋圓偏振光）。通過設計納米結構的取向分布，使得在超表面不同位置處，光獲得與方位角相關的幾何相位變化，從而合成具有特定螺旋相位的軌道角動量光束。在實際應用中，這種對軌道角動量模式的調控具有重要意義。在光通信領域，不同拓撲荷數的軌道角動量模式相互正交，可作為獨立的信道用于光信號傳輸。通過超表面調控軌道角動量模式，能夠實現軌道角動量復用技術，在同一頻率下傳輸多個不同拓撲荷數的軌道角動量光束，極大地提高了光通信系統的信道容量。在量子信息領域，不同軌道角動量模式可用于編碼量子比特，超表面對軌道角動量模式的精確調控為量子通信和量子計算提供了更多的自由度和可能性。通過調控軌道角動量模式，還可以實現對微粒的不同操控方式。具有不同拓撲荷數的軌道角動量光束對微粒施加的扭矩不同，可用于實現微粒的旋轉、平移等多種操控，在生物醫(yī)學、材料科學等領域有著廣泛的應用前景。4.3.2調控軌道角動量光束的傳播特性超表面（Metasurface）對軌道角動量光束傳播特性的調控是拓展其應用范圍的重要研究方向，這一調控過程涉及到對光束傳播方向、發(fā)散角等關鍵特性的精確控制，其原理基于超表面對光場相位和振幅的靈活調制。在傳播方向調控方面，超表面主要通過設計特定的相位分布來實現。根據廣義斯涅爾定律，當光入射到具有相位梯度的超表面時，其反射或折射方向會發(fā)生改變。對于軌道角動量光束，通過在超表面上設計與方位角相關的相位梯度，可使光束在傳播過程中發(fā)生軌道角動量依賴的偏折。例如，設計一種超表面，其相位分布滿足\varphi(\theta)=l\theta+\varphi_0，其中l(wèi)為軌道角動量的拓撲荷數，\theta為方位角，\varphi_0為初始相位。當攜帶軌道角動量的光束入射到該超表面時，由于不同方位角處的相位不同，光束會受到一個與拓撲荷數相關的橫向力，從而使傳播方向發(fā)生改變。在一項實驗研究中，科研人員利用這種原理設計了超表面，成功將攜帶軌道角動量的光束偏折到不同的方向。實驗中，通過改變超表面的相位分布函數，實現了對不同拓撲荷數軌道角動量光束傳播方向的獨立控制，這種調控方法在光通信中的光束分束和復用、光學成像中的光束轉向等方面具有重要應用價值。超表面對軌道角動量光束發(fā)散角的調控則主要通過對光場的振幅和相位分布進行優(yōu)化來實現。對于傳統的軌道角動量光束，其發(fā)散角與光束的拓撲荷數和波長有關，拓撲荷數越大，發(fā)散角越大。超表面可以通過設計特殊的結構，對光束的振幅和相位進行整形，從而減小光束的發(fā)散角。以基于電介質超表面的調控為例，通過精確設計電介質納米柱的尺寸、形狀和排列方式，可以對軌道角動量光束的波前進行矯正，使光束更加集中，減小發(fā)散角。從理論上來說，通過調整超表面結構單元的參數，改變光在其中的傳播相位和振幅，使得光束在傳播過程中不同部分的相位和振幅分布更加均勻，從而減小發(fā)散角。在實際應用中，減小軌道角動量光束的發(fā)散角可以提高光束的傳輸效率和作用距離。在自由空間光通信中，較小的發(fā)散角可以使光束在長距離傳輸過程中保持較高的強度，減少信號衰減，提高通信質量；在光學成像中，較小發(fā)散角的軌道角動量光束可以提高成像的分辨率和對比度，實現對微小物體或復雜結構的更清晰觀測。4.4軌道角動量調控的實驗驗證與應用潛力為了驗證基于超表面的軌道角動量調控策略的有效性，開展了一系列實驗研究，構建了相應的實驗裝置，實驗裝置示意圖如圖5所示。該裝置主要由激光器、擴束準直系統、超表面樣品、相位測量系統以及光強分布測量系統組成。選用波長為633nm的氦氖激光器作為光源，其輸出的激光具有良好的相干性和穩(wěn)定性。擴束準直系統將激光器輸出的光束進行擴束和準直處理，使其成為直徑合適、波前平整的平行光束，以便均勻地照射超表面樣品。超表面樣品采用電子束光刻和反應離子刻蝕等微納加工技術制備，確保超表面結構的精度和質量。在實驗過程中，將制備好的超表面樣品放置在實驗平臺的中心位置，調整其角度和位置，使入射光垂直照射在超表面上。通過超表面對入射光的調制，產生攜帶軌道角動量的光束。利用相位測量系統，如干涉儀，對出射光束的相位分布進行測量。圖6展示了利用基于Pancharatnam-Berry（PB）相位的超表面產生的拓撲荷數l=+1的軌道角動量光束的相位分布測量結果。從圖中可以清晰地觀察到，光束的相位呈現出螺旋狀分布，與理論預期相符，驗證了超表面能夠有效地產生攜帶軌道角動量的光束。通過光強分布測量系統，如電荷耦合器件（CCD）相機，對出射光束的光強分布進行采集和分析。圖7為拓撲荷數l=+2的軌道角動量光束的光強分布測量結果?？梢钥闯觯馐墓鈴姺植汲虱h(huán)形，中心存在相位奇點，光強為零，這是軌道角動量光束的典型特征，進一步驗證了超表面對軌道角動量光束的產生和調控能力。基于超表面的軌道角動量調控在光通信、光學微操控等領域展現出巨大的應用潛力。在光通信領域，利用軌道角動量復用技術可以顯著提高通信系統的信道容量。不同拓撲荷數的軌道角動量模式相互正交，可作為獨立的信道用于光信號傳輸。通過超表面產生和調控攜帶不同軌道角動量的光束，能夠在同一頻率下實現多個信號的并行傳輸，有效緩解日益增長的通信需求與有限頻譜資源之間的矛盾。例如，在自由空間光通信中，采用基于超表面的軌道角動量復用技術，可將通信容量提高數倍甚至更高，為高速、大容量的光通信提供了新的解決方案。在光學微操控領域，軌道角動量光束對微粒具有獨特的操控能力。由于軌道角動量光束的螺旋相位結構，其對微粒施加的扭矩可使微粒繞光束中心軸旋轉，實現對微粒的旋轉操控；同時，軌道角動量光束的環(huán)形光強分布可對微粒產生軸向的捕獲力，實現對微粒的平移操控。基于超表面的軌道角動量調控能夠精確地產生具有特定拓撲荷數和光強分布的軌道角動量光束，為光學微操控提供了更靈活、更高效的手段。在生物醫(yī)學研究中，可以利用超表面產生的軌道角動量光束對生物細胞進行旋轉和移動，實現對細胞的無損操控，有助于細胞生物學、生物醫(yī)學工程等領域的研究和應用。五、Metasurface在全息圖設計與軌道角動量調控中的綜合應用5.1在光通信領域的應用5.1.1提高信道容量在光通信領域，隨著信息傳輸需求的飛速增長，提高信道容量成為了關鍵挑戰(zhàn)?；诔砻妫∕etasurface）的全息圖設計與軌道角動量調控技術的融合，為解決這一問題提供了創(chuàng)新的解決方案。軌道角動量復用技術是提高信道容量的核心手段之一。不同拓撲荷數的軌道角動量模式相互正交，這一特性使得它們能夠在同一頻率下作為獨立的信道傳輸光信號。超表面在軌道角動量復用中發(fā)揮著至關重要的作用，它能夠精確地產生和調控攜帶不同軌道角動量的光束。通過精心設計超表面的結構，利用Pancharatnam-Berry（PB）相位調控等原理，超表面可以實現對光場相位的精確控制，從而生成具有特定拓撲荷數的軌道角動量光束。例如，通過設計納米結構的取向分布，使超表面在不同位置引入與方位角相關的幾何相位變化，當圓偏振光入射時，就能產生攜帶不同軌道角動量的光束。在實驗研究中，科研人員利用基于PB相位的超表面，成功實現了多種拓撲荷數軌道角動量光束的產生，如拓撲荷數為l=+1、l=-1、l=+2等的軌道角動量光束，為軌道角動量復用提供了基礎。將軌道角動量復用與全息圖設計相結合，能夠進一步提高光通信系統的信道容量。全息圖可以看作是一種對光場信息進行編碼的方式，通過超表面設計的全息圖能夠記錄和再現復雜的光場分布。在光通信中，將不同的信息編碼到不同軌道角動量模式的光束中，再利用超表面全息圖對這些光束進行復用和傳輸，可以在同一束光中同時傳輸多個獨立的信息通道。例如，在一個基于超表面的光通信系統中，將多個不同的圖像信息分別編碼到不同拓撲荷數的軌道角動量光束上，通過超表面全息圖的調制，將這些光束復用成一束光進行傳輸。在接收端，利用相應的超表面結構對復用光束進行解復用，再通過全息圖的再現過程，恢復出原始的圖像信息。這種多維度的信息編碼和傳輸方式，大大提高了光通信系統的信道容量，能夠滿足高速、大容量的數據傳輸需求。為了更直觀地說明基于超表面的全息圖設計與軌道角動量調控技術對信道容量的提升效果，以一個簡單的光通信系統模型為例進行分析。假設傳統光通信系統僅利用光的偏振態(tài)進行復用，可提供2個獨立的信道。而引入軌道角動量復用后，若使用拓撲荷數為l=-2,-1,0,1,2的5種軌道角動量模式，結合偏振復用，理論上可提供2\times5=10個獨立信道。再進一步結合超表面全息圖設計，通過對不同軌道角動量模式光束的光場分布進行精細調控，實現更復雜的信息編碼，可進一步提高信道容量。在實際應用中，雖然由于各種因素的影響，如光束的串擾、傳輸損耗等，無法達到理論上的信道容量極限，但與傳統光通信技術相比，基于超表面的全息圖設計與軌道角動量調控技術仍能顯著提高信道容量，為滿足未來光通信的發(fā)展需求提供了有力的技術支持。5.1.2信息加密與傳輸安全在光通信中，信息的安全傳輸至關重要，超表面（Metasurface）為實現高效的信息加密提供了創(chuàng)新的途徑，其原理基于對光場多維度的精確調控。超表面可以利用光的偏振、軌道角動量等維度來實現信息加密。從偏振角度來看，超表面能夠精確調控光的偏振態(tài)，通過設計具有特定偏振響應的超表面結構，將信息編碼到光的偏振態(tài)變化中。例如，利用基于幾何相位的超表面，當不同偏振態(tài)的光入射時，超表面會對光的偏振態(tài)進行特定的旋轉和調制，這種調制后的偏振態(tài)變化可以作為加密信息的載體。在傳輸過程中，只有知道正確的偏振態(tài)解碼規(guī)則，才能準確恢復出原始信息。從軌道角動量維度來說，不同拓撲荷數的軌道角動量模式相互正交，可作為獨立的信息載體。超表面可以產生和調控攜帶不同軌道角動量的光束，將不同的信息編碼到不同拓撲荷數的軌道角動量模式中。例如，將重要數據分成多個部分，分別編碼到拓撲荷數為l=+1、l=-1、l=+2等不同的軌道角動量光束上。在接收端，只有擁有正確的軌道角動量模式解復用和信息解碼方法，才能完整地獲取原始數據。與傳統加密方法相比，基于超表面的加密技術具有獨特的優(yōu)勢。傳統加密方法大多基于數學算法，隨著計算技術的發(fā)展，尤其是量子計算的興起，其安全性面臨著嚴峻挑戰(zhàn)。而基于超表面的加密技術利用光的物理特性進行加密，具有天然的物理安全性。由于超表面對光場的調控是基于微觀結構與光的相互作用，這種物理過程難以被量子計算破解。超表面加密技術還具有高維度、大容量的特點。通過結合光的偏振、軌道角動量以及其他光學維度（如波長、相位等），可以實現多維度的信息加密，大大增加了加密的復雜度和安全性。在一個基于超表面的多維光信息加密系統中，利用超表面對光的偏振、軌道角動量和波長進行聯合調控，將不同的信息分別編碼到這些維度上，使得加密信息的容量大幅增加，同時提高了破解的難度。以香港和英國科學家的研究為例，他們將超表面與非線性晶體結合，成功造出量子全息圖。通過精心設計超表面的納米結構，讓光子的偏振和全息信息直接糾纏在一起。這意味著一個光子的偏振直接決定了全息圖里顯示的內容。在光通信中，這種量子全息圖可用于信息加密。當信息以這種方式加密