西安光机所等最新研究拓展了超表面在偏振光学中的应用

超表面是由亚波长间隔的光学散射体组成的平面光学器件，能够实现对光场偏振、振幅、相位和传播模式的精确调控。相比传统光学元件，具备轻薄和多功能集成等优势，为微型化光学系统的实现提供了重要的解决方案。基于超表面的偏振调控及复用研究受到了广泛关注，已被应用于偏振探测、显微成像、量子态测量等领域。目前，超表面偏振调控理论主要集中在完全偏振转化条件下，即假定入射光被超表面全部转化成其正交复共轭态，这样导致偏振复用通道数受限，且实际中未被偏振转化的能量会被浪费掉。针对该问题，研究者最近提出了多原子耦合、多层耦合模型以实现更多通道的偏振复用，但是这些方法存在空间采样率减小导致编码信息的劣化，以及超表面层数增加导致调控效率降低等问题。另外，目前的超表面偏振调控方法也未能实现不同偏振通道间能量的任意分配。

西安光机所超快光科学与技术全国重点实验室张文富研究员、王国玺研究员团队与南京大学李涛教授团队合作，提出了一种超表面偏振光学相位调控的广义框架理论，可以实现多通道任意偏振态相位的独立控制和不同通道间能量的任意分配，拓展了超表面在偏振光学中的应用范围，为多功能超表面光子器件研制开辟了新途径。相关研究成果以“Metasurface Polarization Optics: Phase Manipulation for Arbitrary Polarization Conversion Condition”为题发表在Physical Review Letters上。西安光机所李思奇副研究员和南京大学陈晨副研究员为论文的共同第一作者，张文富、李涛为共同通讯作者，该工作得到了赵卫研究员的悉心指导。

团队在揭示偏振光与介质纳米柱作用过程中自旋轨道耦合机制的基础上，引入新的偏振转化因子项，构建了超表面广义相位调控框架，可以实现多通道任意偏振态相位的独立控制和不同通道间能量的任意分配。框架原理示意图如图1所示，任一偏振态的光可以被超表面转化成复共轭态和正交复共轭态两部分，这两部分光场的相位和能量可以进行独立的控制。

图1.超表面广义相位调控框架概念示意图

基于上述框架理论，团队首先对最一般的偏振态调控情形即椭偏态相位的独立控制进行了验证。根据提出的相位约束方程，设定每个通道的能量相当，在超表面的三个椭偏复用通道上编码不同的全息图，如图C2所示。可以看出不同椭偏通道可精准地加载不同的相位信息从而产生对应的强度分布。

图2.椭圆偏振态相位调控结果

团队设计了一系列不同偏振转化因子的超表面，不同偏振通道编码信息对应同一个圆周上不同位置的聚焦点，通过偏振态的选择可以将能量聚焦到不同位置，如图C3所示。结果显示随着转化因子的变化，不同通道的能量也相应发生改变。因此，通过改变偏振转化因子实现了不同通道间能量的精确控制。综上，该理论适用于任意偏振态相位的独立控制和不同偏振通道间能量的任意分配。

图3.偏振复用通道间能量操控结果

此外，在该理论基础上，团队设计制作了可对量子态进行广义测量的光学超表面，提出并实现了一种基于广义测量的自学习量子态重构方法，有效降低了多光子纠缠度量的实验复杂度、采样复杂度和后处理复杂度。相关研究成果以“Efficient characterizations of multiphoton states with an ultra-thin optical device”为题发表在Nature Communications上。山东大学逯鹤教授和中国科学院西安光机所王国玺研究员为论文共同通讯作者。

团队设计了可对量子态进行广义测量的光学超表面，可以同时将光子偏振状态展开到信息完备测量基矢上，并将六束光分解到不同的空间通道进行探测。利用此超表面的八面体广义测量进行了阴影层析实验，仅需要几百毫秒就可以实现偏振态投影算符的期望值估计（如图4所示）。

图4.超表面偏振态层析结果

团队还提出了一种自学习阴影层析技术（SLST），结合同步扰动随机逼近算法（SPSA），用阴影层析对弗罗贝尼乌斯范数进行无偏估计并作为损失函数，再用SPSA对描述量子态的参数做全局优化进行量子态重构。实验结果表明，在同样的采样数目下，SLST以较小的经典迭代次数达到更高的精度，可以有效降低重构量子态所需要的样本复杂度的后处理复杂度，并且具有抗噪声的优点（如图5所示）。

图5.不同算法下双光子态保真度重建结果

上述研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院青促会等项目的支持。

论文链接1：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.023803

论文链接2：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48213-4