矢量光束因其独特的光学特性而备受关注，尤其是它们与紧聚焦（tight focusing）的结合可以产生许多有趣的现象。3D打印技术的兴起为其探索提供了更多可能性。
据麦姆斯咨询报道，近日，中国计量大学井绪峰教授的研究团队采用一种涉及超构材料（metamaterial）和超构透镜（metalens）的级联方法产生太赫兹波段的紧聚焦的矢量光束场，其中超构材料和超构透镜通过3D打印技术制造。作为概念验证演示，通过与超构透镜级联，该研究提出了一系列能够产生不同轨道角动量（OAM）状态的超构材料模块。实验结果与模拟结果高度吻合，充分验证了方案的可行性。本文所提出的设计和制造策略为太赫兹矢量光束的紧聚焦提供了新的思路。这项研究成果以“Tight focusing of fractional-order topological charge vector beams by cascading metamaterials and metalens”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
为了研究不同拓扑电荷的涡旋光束与共轭拓扑电荷的叠加矢量光束的紧聚焦场，研究人员分别设计了矢量光束的产生结构和超构透镜结构。需要确保两个模块对接部分的平面度，然后利用这两个模块的平面特性进行级联。超构材料模块（MM）由矩形柱单元构成，单元结构如图1a所示。随后，研究人员利用具有非对称散射模式的超构表面（metasurface）单元的衍射能量分布特性来设计超构透镜。图1c展示了这两个模块的物理级联。
图1 级联超构材料可产生具有紧聚焦场的矢量光束
根据相关公式，研究人员得到了理论预期的聚焦场效应，如图2和图3所示，所有结果均已归一化处理。图2展示了理论计算得到的涡旋光束的紧聚焦场。图3展示了共轭拓扑电荷的OAM束的叠加结果。研究人员利用3D打印技术制备了样品。并对所制备的器件进行了数值模拟和实验验证，实验光路和实验结果如图4所示。
图2 左旋圆偏振入射光的紧聚焦场分析
图3 共轭OAM叠加矢量光束的紧聚焦场分析
图4 实验光路、实验测试结果以及样品照片
图5为四种OAM传输模式下的近场观测结果。模拟和实验的采样平面均距离超构材料10 mm，入射光束为左旋圆偏振光。接着，研究人员测试了这四种OAM叠加发射模式。入射光为x偏振光，在未进行偏振探测时，采样距离同样保持在10 mm。由于线偏振片的尺寸限制，偏振探测结果的采样距离增加至20 mm，结果如图6所示。
图5 各种OAM传输模式下的近场采样结果示意图，包括模拟相位分布、模式纯度、模拟强度分布和实验强度分布
图6 OAM叠加发射模式的采样结果示意图
研究人员通过级联超构材料模块与超构透镜模块来串联光强度。高数值孔径透镜可以收集离散光强，并在不同的矢量状态下产生紧聚焦光场。首先，对OAM发射模式下的紧聚焦进行了研究，结果如图7所示。其次，在完成不同OAM涡旋光束的级联分析后，系统切换至共轭OAM叠加模式。入射光条件与非级联模式一致，得到如图8的近场测试结果。最后，研究人员分别计算了不同模块的效率和级联后的效率，并对模拟和实验结果进行了定量比较，结果如图9所示。
图7 本文所提出的级联结构的模拟和实验结果示意图，包括电场强度和相位分布
图8 本文所提出的级联超构材料的特性，能够产生具有紧聚焦场的不同OAM涡旋光束叠加
图9 模拟和实验效率的比较
综上所述，这项研究展示了利用3D打印全介质级联超构材料来实现不同矢量光束的紧聚焦。充分利用传播自由度和几何相位两个维度，研究了整数阶涡旋光束、分数阶涡旋光束和共轭拓扑电荷的OAM叠加光束的紧聚焦状态特性。通过调节矩形柱单元和非对称双柱单元的参数，研究人员使用低折射率树脂材料成功构建了超构材料模块和超构透镜模块，并根据超构透镜的平面度与超构材料进行物理级联。研究人员对级联和非级联态的设计的模块进行了数值模拟，并构建光路来表征其传播特性。两个模块的级联补偿了超构材料模块的光强缺陷，实验结果与模拟结果高度一致，这为进一步研究不同矢量光束的紧聚焦提供了新思路。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41378-024-00781-7
