《Optics Express》报道我院在超宽波段矢量光束方面取得的新进展

近日，我院郑致刚教授团队在超宽波段矢量光束的产生方面取得了阶段性新进展，相关研究成果以“Tailoring ultra-broadband vector beams via programming the electric field vector of light”为题，发表在学术期刊《Optics Express》（光学快讯）上。

具有偏振空间不均匀分布的矢量光束在光学和光子学领域具有广泛应用。例如，矢量光束特殊的聚焦性质使其能在光学微操控和超分辨显微成像等方面发挥作用；具有特定偏振分布的矢量光可以在大气或海洋环境扰动下实现稳定传播；而作为波动方程的一组完备的本征解集，具有不同偏振拓扑荷（即不同模式）的矢量光束相互正交，因此能够构建多路传输（multiplexing）系统从而实现大容量的光通信，在此基础上结合波长及偏振的正交性可以构建多维度多路传输体系。

产生矢量光束的方式可分为主动和被动。腔内谐振通过偏振模式选择可以主动地输出模式匹配的矢量光束；另一方面，各种无源器件如空间光调制器、超表面和液晶相位器件等可以被动地将入射的均匀偏振光调制成矢量光束。然而，上述方式普遍需要体积庞大的光路系统、制备工艺昂贵且复杂，而有限的工作带宽限制了器件的宽波段响应性和适用性，阻碍了其在复色成像和波长分复用等领域的发展。

基于此，该工作提出了一种图案化的扭曲向列相液晶（TNLCs）器件产生超宽波段矢量光束的方法。如图1所示，当一束线偏振光入射时，通过控制TNLCs的扭曲方向和扭曲角度，可以对出射光的偏振及电矢量振动方向实现0到360°范围内的任意调制。只要TNLCs的纵向长度足够长、液晶分子的折射率差足够大，这种对电矢量的调制特性就能在很宽的波长范围得以保持。通过对液晶上层的光取向层进行分区域的动态旋转取向，就可以实现图案化的TNLCs制备，因而制备工艺简单。

图1. a,矢量光束偏振空间分布。b, TNLCs对入射光偏振态及电矢量的调制。c,动态取向方式制备TNLCs。d, 图案化TNLCs产生超宽波段矢量光束。

图2给出从532 nm至1550 nm的超宽波段矢量光束的实验表征结果，表明TNLCs器件的工作波段可达1000 nm，同时覆盖可见和近红外波段。

图2. 超宽波段矢量光束的实验表征结果。

此外，TNLCs器件依然具备液晶材料典型的外场可调的优势。如图3所示，对TNLCs器件施加驱动电场，通过控制驱动电场的开和关，就可以实现出射光在矢量光束和均匀偏振的高斯光束之间的动态切换。

图3. 矢量光束与高斯光束之间的动态切换。

该研究工作主要是由博士生孙沛智在郑致刚教授的指导下完成。该研究工作得到了国家优秀青年科学基金、国家自然科学基金重点项目、上海市教委科技创新重大项目，及“曙光计划”等项目的支持。

原文信息：https://doi.org/10.1364/OE.462908