Opto-Electronic Advances封面论文推荐

四川大学物理学院王卫研究员团队联合四川大学电子信息学院周昊副教授团队、 山东师范大学韩张华教授团队以及华东师范大学黄陆军教授团队提出了一种腔辅助反射式非局域超表面 ，通过将连续域束缚态与简并点进行协同耦合 ，实现了动量空间中宽带、高效率、高纯度的涡旋光生成。

封 面 文 章 |Wang KR, Sun KL, Du J et al. Cavity-assisted nonlocal metasurfaces for momentum-space broadband-operational optical vortice generation with maxi mum effic i ency approaching 80%. Opto-Electron A dv 9, 250296 (2026).

第一作者 ：王柯人、孙开礼

通信作者 ：黄陆军、韩张华、王卫点击文章标题查看全文

研究背景

光不仅能够传递能量、照亮物体 ，还可以携带丰富的信息自由度。涡旋光束就是一种具有代表性的结构光场。与普通光束不同 ，涡旋光束的相位像螺旋楼梯一样围绕传播方向旋转 ，在光束中心形成暗核 ，并携带轨道角动量。 由于轨道角动量可以提供额外的信息编码维度 ，涡旋光束被认为是未来大容量光通信、量子信息处理、超分辨成像、光学操控和新型传感中的重要工具。简单来说 ，如果普通光束像一条直线通道 ，那么涡旋光束就像在同一条光路中加入了多个可区分的“旋转状态 ” ，从而为信息传输和光场调控提供更多自由度。

过去 ，人们通常在实空间中调控光的相位来产生涡旋光。例如 ，螺旋相位板通过改变材料厚度让光逐渐积累螺旋相位； q-plate和局域超表面则通过微纳结构的取向或尺寸变化来改变光的偏振和相位。这些方法直观有效 ，但也存在一些限制 ：器件往往需要与入射光束的几何中心严格对准 ，工作波长范围有限 ，加工误差会影响效率和光束质量 ，且离散微结构带来的相位不连续也可能降低涡旋光束的纯度。对于实际应用而言 ，人们希望涡旋光发生器不仅小型化 ，还要具备高效率、宽带宽、高纯度和低对准敏感性。

近年来 ，非局域超表面为涡旋光生成提供了新的思路。 它并不是像传统超表面那样在器件表面逐点“刻写 ”相位 ，而是利用动量空间中的偏振涡旋和拓扑奇点来生成涡旋相位。这种方式天然具有较好的位置鲁棒性 ，可以降低对入射光束中心对准的依赖。然而， 已有非局域超表面通常受限于高品质因子共振的窄带特性和陡峭色散 ，导致只有很小一部分入射光能够满足有效耦合条件 ，整体转换效率不高 ，工作带宽也较窄。 因此 ，如何在保持非局域超表面对准容忍度优势的同时 ，实现宽带、高效率和高质量的涡旋光生成 ，成为该领域亟须突破的关键科学与技术问题。

本文亮点

针对上述问题， 四川大学物理学院王卫研究员团队联合四川大学电子信息学院周昊副教授团队、 山东师范大学韩张华教授团队以及华东师范大学黄陆军教授团队提出了一种腔辅助反射式非局域超表面 ，通过将连续域束缚态与简并点进行协同耦合 ，实现了动量空间中宽带、高效率、高纯度的涡旋光生成。该器件由硅光子晶体板、二氧化硅间隔层和金反射镜组成 ，整体形成Fabry-Pé rot腔 。腔的引入为调控连续域束缚态与简并点之间的耦合提供了一个清晰而有效的自由度 ，使研究人员能够同时调控能带色散、辐射品质因子和偏振态分布。

图1 腔辅助非局域超表面实现宽带高效率涡旋光生成的原理示意图

该文的核心亮点在于 ，作者不是单纯追求某一个高效率共振点 ，而是通过能带工程构建了准平坦色散和强散射共存的高效区域。传统非局域超表面的高效转换往往只出现在动量空间中的窄环区域， 因此对入射角、数值孔径和波长非常敏感； 而该文章设计的腔辅助结构形成了类似“沙漏形 ” 的宽带高效率区域 ，使更多入射波矢都能参与有效转换。仿真结果显示 ，该结构的共振点转换效率可接近100% ，整体效率超过90% ，轨道角动量纯度可达到99.5%。实验中 ，器件在1480 ~ 1600 nm波段内均可工作， 峰值整体转换效率接近80% ，在特定条件下可超过80% ，并实现了最高91.7%的轨道角动量纯度。

图2 器件动量空间能带调控与高效率转换区域示意图

更重要的是， 该器件对边缘效应 、 入射位置 、光束轮廓和数值孔径表现出明显的鲁棒性。研究人员进一步利用零阶贝塞尔光束直接照射样品 ，成功生成了高质量的二阶贝塞尔涡旋光束 ，也就是常被称为“ 完美涡旋光束 ” 的光场。这说明该方法不仅适合普通聚焦光束， 也适合复杂结构光场的转换 。 面向未来， 该技术可服务于高维光通信 、 量子光学、先进成像、 片上光场调控和多通道信息处理等方向。下一步若能进一步扩展到可见光波段、实现动态调控 ，或与集成光子芯片结合 ，将有望推动非局域超表面从基础光场调控走向更广泛的实际应用。

图3 实验测得的宽带转换效率、涡旋光强分布与相位分布

该 工 作 以 "Cavity-assisted nonlocal metasurfaces for momentum-space broadband-operational optical vortice generation with maximum efficiency approaching 80%” 为题作为封面文章发表在 Opto-Electronic Advances 2026年第7期。

研究团队简介

本文第一作者为王柯人和孙开礼。

王柯人

四川大学物理学院2023级“ 强基 ”班本科生（指导教师： 王卫研究员） ，研究兴趣包括纳米尺度光-物质相互作用 、 动量空间拓扑光学等 。 以第一作者/共同第一作者在Opto-Electronic Advances、 Nature communications、 Nano Letters、 ACS Photonics上发表研究论文4篇； 四川大学比亚迪奖学金获得者。

孙开礼

山东师范大学物理与电子科学学院2026届博士毕业生（导师 ：韩张华教授） 。现于新加坡国立大学从事博士后研究（合作导师： 仇成伟教授） 。 研究方向为热光子学 、 非线性光学等 。以 第 一 作 者 身 份 在 Nature Communications（4 篇 ） 、 Newton 、 Science Advances 、 Advanced Photonics等期刊发表论文20篇 ， 曾获2025年中国激光“青衿奖 ”、 2024年中国光学学会“王大珩光学奖 ”等。

本文通讯作者为黄陆军研究员、韩张华教授和王卫研究员。

黄陆军

华东师范大学研究员 、 博士生导师 。 专注于高品质共振超构表面研究 ， 在Nat. Rev. Phys., Nat. Commun., Sci. Adv., Phys. Rep., Opto-Electron. Adv. 等期刊发表论文70余篇 ， 被引用6000余次。荣获2025年Advanced Photonics创新青年奖。主持国家自然科学基金面上项目； 担任Advanced Photonics和Opto-Electronic Advances青年编委。

韩张华

山东师范大学教授 ，博士生导师 ，长期致力于非局域光学超表面中的高Q共振物理及其应用研究 ， 在 Nature Communications 、 Science advances 、 Advanced Photonics 、 Opto - Electronic Advances、 Laser & Photonics Review、 Nano Letters等期刊发表学术论文130余篇 ，被引6900余次 ， h-index 38（Google Scholar） 。入选浙江省高等院校“钱江学者 ”特聘教授及山东省泰山学者“青年专家 ” ，主持国家自然科学基金项目4项。

王卫

四川大学物理学院研究员 、 博士生导师 。 研究方向为纳米光子学 、 超表面 、光子晶体 、 连续域 束 缚 态 、 动 量 空 间 拓 扑 光 学 和 结 构 光 场 调 控 等 。 在 Nature Photonics 、 Nature Communications、 Physics Review Letters等期刊发表论文60余篇 ， 引用次数近2000次。担任Nature communications、 Advanced Materials、 Nano Letters等期刊审稿人； 担任《光电工程》 编委。

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