导读

随着集成光子学领域的发展，光学器件正朝着高集成度、多功能化的方向推进。然而，激发并调控片上光场往往依赖于传统的衍射光学器件，存在体积庞大、结构复杂、难以集成等局限，仅能够实现简单的波前调控功能。近日，复旦大学孙树林教授、周磊教授、王卓青年副研究员合作提出了一种片上超构表面激发复杂矢量光场的新策略，在表面波激励下实现了亚波长尺度辐射光场振幅、相位及偏振的全参量独立调控，从而高效生成任意预设的复杂矢量光场。相较于传统片上超构器件，该方案实现了全物理参量光场的协调调控，有望深度赋能全息显示、光学计算、增强现实及信息处理等应用。相关研究成果以“Generating Vectorial Optical Fields via Surface-Wave-Excited Complex-Amplitude Metasurfaces”，为题发表于《Light: Science & Applications》。复旦大学未来信息创新学院博士生金相宇、物理学系博士生何羽为该论文共同第一作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科委、复旦-长光所合作基金的资助。

研究背景

矢量光场具有空间非均匀的波前及偏振分布，相较于标量光场，其具备更高的信息承载能力和更广的物理参量维度，在超分辨成像、光学操控、信息加密及全息显示等领域具有广阔应用前景。传统产生矢量光场的方案通常依赖多个传统光学器件（空间光调制器、波片等）组合复杂系统，存在体积庞大、难以集成、功能受限等瓶颈挑战。近年来，人们提出了基于片上超构表面调控光场的新概念，这是一种由亚波长人工微结构组成的平面光学器件，可在两维空间中实现对光的精准操控。然而，现有片上超构表面主要基于局域相位调控从而产生特定标量光场；虽有个别工作通过相位干涉等机制实现了局域偏振调控，但是长期缺乏全参量光场协同调控的能力，这从根本上限制了结构光场调控领域（如复杂矢量光场）的进一步发展。

研究亮点

1.片上复振幅超构表面产生矢量光场新原理

团队提出了一种基于表面波激励的片上复振幅超构表面矢量光场产生新方法。通过构建由2×2个微结构组成复合超构单元，利用其内部局域辐射场间的干涉效应，首次实现了两个正交偏振态(左旋/右旋圆偏振)分量振幅、相位的独立精确调控，从而在片上平台完成了全参量光场协同调控，最终在自由空间生成任意预设的矢量光场，如图1所示。该设计突破了传统纯相位编码方案的物理局限，将光场调控维度拓展至振幅-相位-偏振全参量域，为复杂光场调控提供了全新范式。

图1：表面波超构表面生成目标矢量光场的原理及关键单元表征。(a) 用于生成目标矢量光场的两正交偏振分量（左旋圆偏振 LCP 和右旋圆偏振 RCP）的振幅与相位分布；(b) 基于不同旋转角度 PB 超构单元构建片上复合超构表面的设计策略；(c, d) 所设计超构单元的结构示意图及样品实物图；(c-g) PB 超构单元结构的电磁属性；(h) 所设计等离激元金属平板支持本征表面波模式的色散关系

2.多自由度标量光场调控

团队首先验证了强度与偏振协同调控的多波束辐射效应，在 0.4 THz 的表面波激励下，实验实现了两束传输方向各异且具有正交偏振态的定向辐射波束，基于全参量调控的优势可任意独立调控多波束的辐射特性。在此基础上，研究人员进一步提升器件功能复杂度，实现了远场双焦点光场的独立调控，双焦点的位置、强度及偏振态均可按需设计，如图2所示。该结果充分展现了全参量超构表面在高维结构光场调控方面的卓越能力。

图2：片上超构表面产生双焦点光束的实验表征：(a)表面波驱动下片上复合超构表面产生双焦点光束的原理示意图；(b) 整体超构表面的取向角分布及部分样品俯视图，器件由 60 × 60 个超构单元组成；(c) 焦平面上（z = 2.4 mm，y = 0 mm）双焦点光束沿扫描线的电场强度仿真与实验结果；(d–g) 在表面波激励下，复合超构表面在 xz 平面（y = 0 mm）和 xy 平面（z = 2.4 mm）中电场分布的仿真与实验结果

3.复杂矢量光场激发

团队进一步提出了一种复振幅 Gerchberg–Saxton（GS）全息算法，成功实现了高质量矢量全息光场的生成。通过独立控制超构表面上产生的两个正交偏振复振幅分量，在成像面上干涉形成特定的标量/矢量全息图像，如图3所示。相较于传统纯相位全息方案，该方法不仅在图像保真度、均匀性等方面具有优势，还具备局域偏振的编码能力，极大拓展了复杂结构光场调控领域的应用范围。

图3：基于优化算法的片上复振幅矢量全息成像：(a) 表面波激励下片上复合超构表面实现复振幅矢量全息的原理示意图；(b–e) 超构表面辐射左旋圆偏振（LCP）和右旋圆偏振（RCP）分量的振幅与相位分布；(f–g) 整体超构表面的取向角分布及部分实物样品图；(h–i) 在 0.4 THz、成像平面 xy（z = 1.5 mm）处，生成矢量复振幅全息图在不同线偏振方向（135°、90°、45°、0°）下的电场强度仿真与实验结果

总结与展望

本文构建了一种新型片上复振幅超构表面平台，实现了表面波辐射光场振幅、相位与偏振态的全参量协同调控，突破了传统片上超构表面调控自由度的限制，为复杂结构光场的生成开辟了新路径，深度赋能片上集成光子系统的相关应用。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02334-1