如何在纳米尺度上有效操纵光，产生高效率的光涡旋？近日，哈工大深圳校区材料科学与工程学院肖淑敏教授、集成电路学院宋清海教授团队与澳大利亚国立大学Yuri Kivshar教授共同合作，在微纳光学领域取得重要研究进展，研究成果以“Highly efficient vortex generation at the nanoscale”为题发表于国际著名期刊《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）。该工作实现的超表面能以亚波长横向尺寸生成高质量涡旋光，有望成为世界上最小的涡旋光生成器件。
携带轨道角动量的光束，通常称为光旋涡，在高容量光通信、超分辨率成像和光学捕获等多种应用中扮演着至关重要的角色。尽管学界已提出许多方法高效产生光涡旋，但这些方法无法满足光学系统微型化的趋势。与商业化的螺旋相位板、Q板和衍射光学元件等器件不同，新型的二维平面人工材料--超表面显示出了将器件厚度压缩至纳米级别的能力。然而，要生成高质量涡旋光，超表面仍需较大的横向尺寸，这严重限制了涡旋光超表面在集成光子学等新兴领域的应用。因此，如何在亚波长尺寸利用超表面生成高质量的涡旋光，仍是待解决的关键问题。
技术难点的突破需要原理创新。为了实现亚波长尺度的涡旋光超表面，研究团队对超表面传统设计方法做出了突破。在传统方法中，每个光学元原子都被独立对待，并刻意忽略了近场相互作用。因此，传统的微纳器件通常仅限于单像素级别的操作。肖淑敏和宋清海团队另辟蹊径，从近场模式相互作用出发，发现了光场调控的全新自由度：间隙相位。当一个由紧密排列的纳米柱构成的元胞被照射时，通过近场相互作用可以形成多种混合模式。当所有混合模式被激发并相互作用时，可以在纳米柱之间的间隙中生成相位梯度，并形成间隙相位。利用间隙相位提供的额外光场调控能力，使用仅包含4个纳米柱的超构四聚体就可以实现连续的涡旋相位。该工作在实验中实现并验证了具有高效率、高纯度、拓扑荷l=1-10的涡旋光束。
研究团队充分发挥超构四聚体极小横向尺寸的特性，同时实现了超高密度涡旋光阵列，其密度相当于在头发丝横截面大小的平面上同时生成1000余个高质量涡旋光。这对于大通量光纤通信、光学加密等领域具有重要价值。更重要的是，该研究工作提出的间隙相位原理不仅限于生成涡旋光，或可成为微纳光场调控领域一个全新的自由度。
该论文的共同第一作者是哈工大深圳校区博士研究生陈钦杪、鹏城实验室博士后曲歌扬和哈工大深圳校区博士研究生尹俊，共同通讯作者是哈工大深圳校区宋清海教授、澳大利亚国立大学Yuri Kivshar教授和哈工大深圳校区肖淑敏教授。该项研究得到了国家科技部、国家自然科学基金委、深圳市科创委、中国博士后创新人才支持计划、微纳光电信息系统理论与技术工信部重点实验室等的支持。
图 亚波长尺寸超表面生成高质量涡旋光
