常熟理工学院学报（自然科学）JournalofChangshuInstituteofTechnology（NaturalSciences）第37卷第2期2023年3月Vol.37No.2Mar.,2023基于单层光学超表面产生复合涡旋光束的方法研究明阳（常熟理工学院电子信息工程学院，江苏常熟215500）摘要：光学超表面超薄的特性和前所未有的灵活光操纵能力为产生特殊空间光模式提供了一个有效的平台．本文提出并通过实验验证了一个基于光学超表面的方法用于产生和调控具有多个相位奇点的复合涡旋光束（Compositevortexbeam，CVB）．由于其独特的光学特性，CVB应用前景广阔，可用于多光子阱、量子信息等．此前CVB可使用空间光调制器产生，然而其体积大、成本高、分辨率有限．这里设计的平台具有小型化的特征，更具实用性，为CVB的应用开辟了一条新途径．关键词：光学超表面；复合涡旋光束；相位奇点中图分类号：O441文献标志码：A文章编号：1008-2794（2023）02-0018-04收稿日期：2022-09-29基金项目：国家自然科学基金面上项目“基于人工微纳结构材料的光子态不可分离性研究”（12274043）通信作者：明阳，副教授，博士，研究方向：空间光量子态调控，E-mail:mingy@cslg.edu.cn．光学超表面是一类新兴的功能型人工材料，可以在亚波长尺度上操纵光的相位、幅度和偏振，从而开发出新型光电器件，包括超透镜[1]、偏振敏感全息元件[2]、涡旋光束发生器[3]和传感器[4]等．超表面的超薄特性使之成为构建小型化和集成化系统的理想选择．同时由于灵活的光操纵能力，特别适宜于光相位奇点调控．对于相位奇点的研究开辟了奇异光学领域，具有相位奇点的光涡旋已被用于从粒子操纵[5]到量子信息[6]的许多方面．近年来，波前奇点分布更为精细的复合涡旋光束（Compositevortexbeam，CVB）因其适合于更复杂的应用，如多光子阱[7]和量子计算门[8]而吸引了众多学者的研究兴趣．此前CVB的产生可通过空间光调制器（Spatiallightmodulators，SLM）实现，但SLM体积大、成本高、分辨率低．为了跟上设备小型化和系统集成化的发展趋势，本文提出并实验演示了使用单层超表面产生CVB，设计的方法基于具有不同圆偏振态的多个单涡旋光束叠加．实际选用由金属纳米棒组成的几何相位超表面，通过调控金属纳米棒的取向角空间分布来实现此原理．对几组不同的CVB进行了实验演示，并与模拟结果进行了比较，两者之间符合程度良好．得到的结果表明单层超表面是创建和设计光相位奇点空间分布结构的利器．图1显示了超表面方法生成CVB的示意图．超表面由...
