近期，光学领域权威期刊《Laser & Photonics Reviews》以“Ultrabroadband Multichannel Vector Vortex Beams With Versatile Electrically Induced Functionality”为题，报道了我院郑致刚教授课题组在超宽波段涡旋矢量光阵列的产生方面取得的最新研究进展。
涡旋矢量光是一类具有空间相位和偏振奇点的典型结构光场，在光学和光子学领域具有广泛应用。例如，特定偏振空间分布的矢量光束能够在光学微操控、超分辨显微成像、大气或水下环境的远距离传输等领域发挥重要作用；涡旋光具有空间的螺旋相位，其携带的光子轨道角动量OAM作为全新的物理维度，具有无穷多的正交模式，理论上能提供无限多的独立信息通道，从而大幅度拓展通讯系统的带宽。而同时包含相位和偏振分布的涡旋矢量光，享有更高维度的光场自由度，因而在光场的多维灵活调控方面彰显着不可比拟的优势。
显然，利用简单、稳定、多功能化的方式高效地产生涡旋矢量光具有重大意义。现如今，包括激光谐振腔、空间光调制器、光纤、片上器件在内，科学家们已相继提出各种方法，用于主动和被动地产生涡旋矢量光。其中，超表面器件具有平面化、可集成、分辨率高等优势；相比之下，液晶器件则以易加工、高透过率、外场可响应性而著称。然而，传统的超表面和液晶器件普遍依托于对光场的相位参量进行调制，其难以避免的相位色散会导致仅能在有限工作带宽内产生结构光场，因而限制了器件的宽波段响应性和适用性，阻碍了相关领域的深入发展。
基于上述原因，该工作创造性地提出了一种编程式的扭曲向列相液晶（TNLCs）器件产生超宽波段涡旋矢量光阵列的方法。将达曼涡旋光栅DVG的波前函数与某个矢量光束的波前相结合，合成的光场函数EVVBs就对应着特定的涡旋矢量光阵列：
(1)
特别地，当采用二值分布的DVG结构时，EVVBs的表达式可以视为特定的光场电矢量振动的函数分布：
S1 + S2 = S(2)
图1. 编程式的扭曲向列相液晶（TNLCs）器件产生超宽波段涡旋矢量光阵列。
不同于以往的光场相位调制，我们可以通过TNLCs的扭曲结构直接对光的电矢量振动进行调控，从而根据公式(2)来生成满足EVVBs形式的矢量光场。图2a展示了利用通过TNLCs对光的偏振及电矢量方向进行任意调制的原理图。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段范围得以保持。而图2b给出了在532 nm至1550 nm范围内的相关模拟结果，可以看出，在整个波段范围内，出射光均能保持良好的线偏振态，其瞬时电矢量振动方向也与TNLC的扭曲角保持高度一致，从而进一步验证了TNLC光场调制从可见到近红外的超宽工作波段。
图2. a, TNLCs对光的偏振及电矢量振动方向的调制。b,超宽波段范围内的模拟结果。
通过一种独特的动态编程式光取向技术，可以实现图案化的TNLCs制备。图3a展示了这些图案化TNLCs器件的显微织构。而如图3b所示的实验结果证实，这些样品分别支持了从532到1550 nm的超宽波段范围内高效地产生涡旋光、矢量光以及涡旋矢量光阵列。此外，如图4所示，模拟结果表明，在中红外波段内TNLCs器件同样极为有效，在10 μm的波长范围之内，涡旋矢量光阵列的产生效率均能保持在80%以上。
图3. 超宽波段的涡旋光、矢量光及涡旋矢量光阵列。
图4. 可见至中红外波段的涡旋矢量光阵列的模拟结果。
得益于液晶材料优异的外场响应性，对TNLCs器件施加驱动电场可以灵活地对涡旋矢量光进行‘开’和‘关’的动态切换。更为神奇的是，TNLCs器件在高、低两种电压条件下呈现截然不同的切换效果。如图5所示，涡旋矢量光在低电压驱动时维持可逆的开关切换；而在高电压时则为不可逆的切换，在关闭电压后透射光呈现出散射效果。这种带有选择性的调制能力能够在智能调控及保密通讯等领域发挥独特优势。
图5. 涡旋矢量光阵列在电场驱动下的可逆/不可逆选择性切换。
该研究工作主要是由我院博士生孙沛智在郑致刚教授的指导下完成。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市教委科技创新重大项目、上海市教委“曙光计划”的支持。
原文信息：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/lpor.202300098