超構表面是一類二維的人工微結構材料，能夠實現(xiàn)納米級的光場調控，已成功應用在成像、顯示、通訊等領域。近日，南京大學物理學院王漱明副教授，王振林教授、祝世寧院士團隊與中科院西安光機所嚴紹輝研究員、姚保利研究員團隊合作，設計了一種光子自旋相關的超構表面，成功實現(xiàn)了任意階數(shù)的雙貝塞爾光束的產生，觀察并研究了在改變入射偏振態(tài)的過程中，由于高數(shù)值孔徑造成伴隨而來的自旋-軌道角動量轉換而引起的新的物理現(xiàn)象，并且構建了一套估算光場的理論模型。

貝塞爾光束作為最常見的非衍射光束，具有許多引人注目的特性，也因此被應用在天文光子學（Nat. Commun. 7, 10747, 2016），光片顯微鏡（Nat. Methods 8, 417, 2011），超分辨率成像（Nat. Photonics 9, 1083,2014）和光學微操控等領域（Nat. Photonics 5, 531, 2011）。由于傳統(tǒng)體材料和系統(tǒng)過于龐大和復雜，人們也著手于在超構表面等二維光子器件上產生貝塞爾光束。傳統(tǒng)基于幾何相位或者傳播相位的單一功能的貝塞爾光束發(fā)生器不具有可調性，不適用于多功能的集成化的微納光學器件。此外，具有高數(shù)值的貝塞爾光束的研究與緊密聚焦效應有關，涉及到了自旋軌道相互作用。先前的工作已經證明了通過J-Plate可以將自旋角動量（SAM）的本征態(tài)轉換為任意階數(shù)的軌道角動量（Science 358, 896, 2017）。然而，這種J-plate的輸出光是平行光，并沒有縱向分量的影響，也因此忽視了很多由縱向分量導致的新應用。

在上述的研究基礎上，本研究組結合了幾何相位和共振相位兩種模式，提出了一種允許通過正交偏振的切換，在同一超構表面上高效產生兩種任意階數(shù)或任意數(shù)值孔徑的貝塞爾光束的方法，觀察并研究了在改變入射偏振態(tài)的過程中，由于高數(shù)值孔徑導致的緊聚焦效應，其伴隨而來的自旋-軌道角動量轉換會引入縱向的角動量分量，從而導致光斑對稱性破缺的現(xiàn)象，另外，基于菲涅爾衍射積分，構建了一套估算光場的理論物理模型。最后，通過入射線性偏振光，他們還實現(xiàn)了單層超構表面上雙分裂貝塞爾光束的產生。此研究結果揭示了在緊聚焦情況下的任意自旋-軌道轉換的物理規(guī)律，并寄希望這種方法可用于切換式的光學顯微成像和多粒子的光學微操縱領域。

圖1. 具有獨立階數(shù)的貝塞爾光束的理論計算和仿真結果。（a），（b）模擬的縱向強度分布（a1），（b1），計算的（a2），（b2）和模擬的（a3），（b3）橫向強度分布，斯托克斯參數(shù)S3（a4）和歸一化強度（第一種情況）的效率（a5），（b5）分別為61.53％和61.40％。（c），（d）模擬的縱向強度分布（c1），（d1），計算的（c2），（d2）和模擬的（c3），（d3）的橫向圖案強度，斯托克斯參數(shù)S3（c4），（d4）和歸一化強度（第二種情況）分布圖（c5），（d5）的效率分別為60.02％和57.84％。（e），（f） 高階龐加萊球路徑上不同入射偏振下的橫向模式。

圖2. 具有不同數(shù)值孔徑的貝塞爾光束的理論計算和仿真結果。

（a），（b）模擬的縱向強度分布（a1），（b1），計算的（a2），（b2）和模擬的（a3），（b3）橫向強度分布，斯托克斯參數(shù)S3（a4），（b4），以及第三種情況的標準化強度曲線（a5），（b5），效率分別為66.58％和64.36％。

（c），（d）縱向強度分布（c1），（d1），計算的（c2），（d2）和模擬的（c3），（d3）橫向強度分布，斯托克斯參數(shù)S3（c4），（d4）， 第四種情況的標準化強度分布（c5），（d5），效率分別為64.82％和57.04％。

（e），（f）在標準平面波龐加萊球面路徑上不同入射偏振的橫向模式。

圖3. 具有LCP，LP和RCP入射的任意階數(shù)和獨立數(shù)值孔徑的貝塞爾光束縱向分量的理論計算（左）和模擬結果（右）。

（1a）情況1的階數(shù)n1 = 0，n2= 1。（1b）情況2的階數(shù)n1’= 0，n2’= 1。

（2a）情況3的NA1 = 0.4，NA2 = 0.6。（2b）情況4的NA1'= 0.6，NA2'= 0.8。

圖4. 雙貝塞爾光束的縱向和橫向強度分布。

（a），（b）具有對稱（a1），（a2）和不對稱分裂（b1），（b2）的相同階數(shù)（n1 = n2 = 0）。

（c），（d）具有對稱（c1），（c2）和非對稱分裂（d1），（d2）的不同階數(shù)（n1 = 0，n2 = 1）。

該工作以“Generation and Conversion Dynamics of Dual Bessel Beams with a Photonic Spin-Dependent Dielectric Metasurface”為題發(fā)表在權威物理學期刊《Physical Review Applied》上。南京大學物理學院碩士研究生李添悅為文章第一作者，西安光機所博士生李星儀、研究員嚴紹輝和暨南大學納米光子學研究院助理教授徐孝浩對本文有重要貢獻。南京大學王漱明副教授為論文的通訊作者，姚保利研究員、王振林教授、祝世寧院士對本工作深入指導。該項研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金的資助。此項研究工作得到南京大學固體微結構國家重點實驗室、物理學院和人工微結構科學與技術協(xié)同創(chuàng)新中心支持。

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