基于叶序形态的多通道轨道角动量纳米筛

说明 | 本文由论文作者（课题组）撰稿

撰稿 | 仇成伟（新加坡国立大学）

相信大家小时候都看到过这样一类有趣的图片：同一张图（如图1），有人看到的是花瓶，有人看到的是两张侧脸。这类图被称为双歧图（名词解释>>>），在我们将图片的不同部分作为知觉对象时，往往会有不同的收获，正应了苏轼在《题西林壁》中写的“横看成岭侧成峰，远近高低各不同”。

图1：人脸与花瓶（Rubin’s vase）

无独有偶，在我们观察一些植物的叶序形态时，也可以找到类似的有趣现象。例如，向日葵的种子和松果的叶子，都是按照一种特殊的螺旋线结构排布的，这种螺旋线结构，被称为黄金螺旋线，又称为“斐波那契螺旋线”（名词解释>>>）。如果把这些叶序结构中的每一粒种子/叶子都看成一个个小的纳米筛孔，我们会发现在这样一种结构中，由于结构简并性会产生多种模糊态结构，即将相邻的纳米筛孔按照不同的轨迹连起来时，可以找到多组不同螺旋线结构，且不同组螺旋线结构包含的螺旋线条数与斐波那契数列一致（如图2所示）。而当我们把纳米筛孔按照螺旋线的轨迹直接连起来时，这种由结构简并性带来的多种模糊态结构就不复存在了。

图2：探究植物叶序“斐波那契螺旋线”与轨道角动量的神秘关系（l为拓扑荷数)

近年来，涡旋光作为一种具有螺旋形相位波前以及中心相位奇点的特殊光束在量子光通信、超分辨成像、微纳颗粒的操控、以及多通道信息存储等先进应用领域都发挥着重要的作用。在现有方案中，人们常常通过螺旋相位板、空间光调制器、叉型光栅等传统光学器件来产生携带特定拓扑荷数的涡旋光束。然而，利用这些方法产生涡旋光束对系统的进一步缩小以及集成化都带来了限制。超表面以其对光束波前相位和振幅的灵活操控以及超薄的厚度和超紧凑的体积为涡旋光束的产生带来了新的机遇与发展。通常，现有方案在利用超表面产生特定拓扑荷数的涡旋光束时，通过设计对入射光产生0~2π梯度相位响应的微纳单元结构并对这些微纳单元结构进行相应排布来实现。为了实现光学器件的多功能性以及进一步推动光学器件的集成化，当需要通过一个超表面微纳光学器件产生多个不同拓扑荷数的涡旋光束时，现有方案通常依靠将具有不同相位响应的微纳单元结构通过分区域排布或者交错排布的手段来实现。在此类方案下，每个微纳单元结构仍只服务于产生其中某个特定拓扑荷数的涡旋光束。与此同时，为了抑制不同微纳单元结构之间的交叉耦合效应，相邻微纳单元之间需要有足够的距离，而这又反过来降低了器件的紧凑性以及通道容量。

为了解决此问题，新加坡国立大学仇成伟教授领导的交叉研究团队以我们日常生活中利用观察者知觉认识而产生多种模糊态结构的这种现象为灵感设计多通道轨道角动量生成器，实现了自由空间以及近场环境下的多通道轨道角动量的操控。该多通道轨道角动量生成器为金属纳米筛结构，利用结构简并性，此种纳米筛超表面中的每个微纳单元结构（即单个纳米筛孔结构）都服务于该器件所产生的所有不同拓扑荷数的涡旋光束，真正实现了“一孔多用”，从而为超表面多通道涡旋光束的产生打开了新的途径。

相关研究成果以“Phyllotaxis-inspired Nanosieves with Multiplexed Orbital Angular Momentum”为题发表在eLight。

图3：该论文在eLight在线发表的页面截图

在这项工作中，研究人员首先通过数值仿真和理论推导，文章揭示了为什么“斐波那契螺旋线”式纳米筛结构可产生多个阶数的轨道角动量，这促使研究者们设计了以叶序形态为灵感的纳米筛结构，从而在单个器件中实现多通道轨道角动量的操控。与此同时，研究者们发现该原理同时适用于自由空间以及近场光学系统。在自由空间中，轨道角动量的阶数与入射光的自旋状态无关；而在近场光学系统中，我们将得到包含自旋到轨道角动量转换的多个不同拓扑荷数的轨道角动量。在此基础下，依据之前的理论推导，研究者们分别设计并制备了在远场及近场环境下工作的叶序形态的纳米筛超表面。在该纳米筛超表面中，多个不同轨道角动量的产生来源于单个器件中“蕴藏”的多组螺旋结构，每组螺旋结构分别对应于一种不同拓扑荷数的轨道角动量。文中的仿真结果以及静态和动态实验结果都对该叶序形状的纳米筛超表面的功能进行了有效验证。

图4：基于叶序形态的自由空间涡旋纳米筛

图5：基于叶序形态的近场环境下工作的涡旋纳米筛及其动态测试结果

文中介绍的策略为我们提供了一种新的多模态轨道角动量操控方法。与相位控制型超表面轨道角动量发生器相比，文中的叶序状纳米筛具有更强的鲁棒性。这意味着即使纳米筛中的部分纳米筛孔被破坏，该器件仍能保持其原有的功效，而这一特点反过来又降低了对其加工工艺的严苛要求。该叶序状纳米筛超表面为片上光子器件、光通信以及量子手性光学等先进应用领域提供了新的思路。

论文信息：

Jin, Z., Janoschka, D., Deng, J. et al. Phyllotaxis-inspired nanosieves with multiplexed orbital angular momentum. eLight 1, 5 (2021).

论文地址：

https://doi.org/10.1186/s43593-021-00005-9

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近年来，新加坡国立大学仇成伟教授团队在光学轨道角动量的研究与应用方面进行了一系列探索，近5年内部分相关研究如下：

1.Mehmood, M. et al. Visible‐frequency metasurface for structuring and spatially multiplexing optical vortices. Adv. Mater.28, 2533-2539 (2016).

2.Mei, S. et al. Flat helical nanosieves. Adv. Funct. Mater.26, 5255-5262 (2016).

3.Qiu, C.-W. & Yang, Y. Vortex generation reaches a new plateau. Science357, 645-645 (2017).

4.Huang, K. et al. Spiniform phase-encoded metagratings entangling arbitrary rational-order orbital angular momentum.Light Sci. Appl.7, 17156-17156 (2018).

5.Jin, L. et al. Dielectric multi-momentum meta-transformer in the visible. Nat. Commun.10, 4789 (2019).

6.Yang, Y. et al. Deuterogenic plasmonic vortices. Nano Lett.20, 6774-6779 (2020).

7.Bao, Y. et al. A minimalist single‐layer metasurface for arbitrary and full control of vector vortex beams. Adv. Mater.32, 1905659 (2020).

8.Sroor, H. et al. High-purity orbital angular momentum states from a visible metasurface laser. Nat. Photon.14, 498 (2020).

9.Ni, J. et al. Giant helical dichroism of single chiral nanostructures with photonic orbital angular momentum. ACS Nano15, 2893-2900 (2021).

10.Ni, J. et al. Gigantic vortical differential scattering as a monochromatic probe for multiscale chiral structures. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.118, e2020055118 (2021).

11.Ouyang, X. et al. Synthetic Helical Dichroism for Six-Dimensional Optical Orbital Angular Momentum Multiplexing, Nat. Photon., in press (2021).

12.Ni, J. et al. Multidimensional phase singularities in nanophotonics. Science, in press (2021).

监制 | 郭宸孜、孙婷婷、赵阳

编辑 | 赵唯

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