前沿进展 | 单片碳化硅超表面用于生成任意三维完美矢量涡旋光束

本文的核心内容是关于利用单片碳化硅（SiC）超表面来生成任意三维完美矢量涡旋光束（3D PVVBs）的研究。这项工作不仅在理论上提出了一个创新的模型，还在实验上成功验证了该模型的可行性，为光学领域的发展提供了新的思路和方法。

背景知识：

完美矢量涡旋光束（PVVBs）是一种具有特殊偏振和相位分布的结构光束，能够在光学捕获、光学加密等领域发挥重要作用。传统上，PVVBs的研究主要集中在二维空间，这限制了其在多维度微操控、高安全信息处理和高维量子纠缠等领域的应用潜力。将PVVBs从二维扩展到三维空间，不仅可以提供额外的空间控制维度，还能显著提升其信息容量。

研究方法：

研究团队提出了一种基于单片碳化硅超表面的解决方案，通过极化依赖的相位调制来实现三维空间中任意PVVBs的生成。这种超表面能够直接实现两个正交圆偏振三维完美涡旋的同轴叠加，无需额外的光学元件。具体来说，研究者们设计了一种理论模型，通过狄拉克函数调制的三维完美涡旋，并探索了基于相位调制方法的近似生成方案。

超表面的基本单元是一个矩形的SiC纳米柱，通过有限差分时域算法模拟了6561个不同尺寸的SiC纳米柱的传输系数和相位。通过选择16个具有高交叉偏振转换效率（PCE）的SiC纳米柱，实现了在630纳米波长下的全2π相位覆盖。这些纳米柱被安排在特定的空间旋转角度上，以构建超表面，从而完全解耦两个不同相位分布的正交圆偏振光。

实验中，研究者们设计并制造了两个SiC超表面器件，分别用于生成两种不同的3D PVVBs（PVVB1和PVVB2）。通过实验装置，研究者们捕捉了沿z方向不同位置的201个横向强度图像，重建了四个三维完美涡旋的光场分布。实验结果显示，这些完美涡旋的三维轮廓非常相似，且其尺寸几乎不随拓扑电荷的增加而变化，这表明通过该方法生成的三维完美涡旋的定制化强度轨迹与涡旋的拓扑电荷几乎无关。

此外，通过调整入射光的偏振状态，研究者们能够控制生成各种状态的3D PVVBs。实验中选择了六种不同的入射偏振状态，包括右旋圆偏振（RCP）、左旋圆偏振（LCP）和四种线性偏振状态。实验结果表明，这些3D PVVBs的三维强度分布和偏振分布与理论预期一致。

图 1：单片超表面生成任意三维完美矢量涡旋光束（PVVBs）的设计原理。

图 2：实验生成的三维完美涡旋光束。

图 3：实验验证的三维完美矢量涡旋光束（PVVBs）。

图 4：基于三维PVVBs阵列的光学信息加密设计原理与实验验证。

参考文献：

M. Liu, P. Lin, P. Huo, H. Qi, R. Jin, H. Zhang, Y. Ren, M. Song, Y. Lu, and T. Xu, "Monolithic silicon carbide metasurfaces for engineering arbitrary 3D perfect vector vortex beams," Nat Commun 16(1), 3994 (2025).