近年来，矢量光场，即具有可任意设计的波前和偏振态分布的光场，因其相较于均匀标量光场具有更大的调控自由度和更广阔的应用前景，而引起了国内外科学家的广泛关注。然而，基于传统光学器件产生矢量光场的方法往往具有体系庞杂或功能局限等弊端，这也极大限制了其在集成光学中的应用前景。因此，如何利用新兴的光学技术和材料（如超构表面），在亚波长厚度的平面光学体系中，实现具有任意波前和局域偏振态分布的矢量光场具有非常重要的科学研究价值和实际应用前景。

   针对这一问题，近日复旦大学周磊教授团队在《Light: Science & Applications》发表最新文章，提出了一套全新且普适的超构表面设计方案，利用超构表面中位置依赖的全矩阵相位调制高效实现了可任意设计的复杂矢量光场（见图1），并进行了一系列实验验证。团队在理论模型分析和数值仿真模拟基础上，在近红外波段实验实现了均匀波前可控的高效偏振态转化和同时具有涡旋特性和复杂局域偏振态的复杂远场与近场矢量光场。所有近红外波段实验结果均与理论预期非常吻合，这也充分证明了该设计方法的有效性。

  图1 基于超构表面的复杂矢量光场调控

   该研究成果不仅为实现复杂的矢量光场提供了清晰的理论和设计指导，还基于超构表面系统开辟了一条在超薄体系中高效产生任意可控的复杂矢量光场的新途径，为未来矢量光场在量子信息存储、高分辨成像、生命科学等领域的研究与应用打开了新思路。

   针对上述挑战，研究人员从反射式非均匀超构表面出发，提出了一套普适的实现具有特殊波前和任意局域偏振状态分布的复杂矢量光场的新方法。基于严格的琼斯矩阵法分析，他们发现通过局域且有效地控制超构表面的反射波相位和局域自旋状态（即偏振状态），就可以实现任意可控波前和任意局域偏振状态分布的复杂矢量光场（见图1）。研究人员首先基于理论模型计算展示了一个理想超构表面如何将一正入射的左旋圆偏振光转化成为具有一定发散性波前和角向依赖的偏振状态分布且带有一定轨道角动量的复杂矢量光束（见图2）。基于格林函数方法的解析计算结果与理论预言的完美吻合证明了该设计方法的可行性。从图2中反射波的偏振状态与传播距离的分布结果中可以看出，该体系产生的复杂矢量光场在远场传播过程中具有很好的保真性。

图2. 基于超构表面模型实现复杂矢量光场的解析计算结果

    随后，研究人员利用金属-介质-金属（MIM）的反射式超构表面设计，充分利用人工原子的几何构型自由度来调制局域位置的各向异性和反射相位，从而实现对局域偏振态与波前的调控，最终实现任意的远场矢量光场。在完整的理论指导下，团队在近红外波段实验实现了在均匀左旋圆偏振激励下的复杂远场矢量光场调控。从图3 的实验结果图中可以看出，该系统实现的矢量光场在具有一阶涡旋特性的波前分布的同时，其偏振状态呈现为椭偏度沿圆周不断变化的复杂局域态分布。

   图3 近红外复杂远场矢量光场的产生与实验表征结果

图4 近红外复杂近场矢量光场的产生与实验表征

   研究团队提出的基于超构表面产生复杂矢量光场的新方法，是一种普适、高效、功能广泛的方法，通过充分利用体系自由度，调制位置依赖的全矩阵相位，真正实现远场和近场的任意矢量光场，并可在未来被拓展到任意波段、透射体系、斜入射体系、非均匀振幅体系和任意入射偏振体系等等，产生的矢量光场在多通道通信，近场传感，光镊和超分辨率成象等领域都有广阔的应用前景。

   最后，研究团队在相同的理论指导下进一步实现了近场复杂矢量光场，验证了该矢量光场调控方案的普适性。同样在左旋圆偏光激励下，团队在近红外波段实验上实现了带涡旋且偏振态为沿径向线偏的表面波，并详细表征了其涡旋性质、偏振性质和耦合效率。实验结果均与理论及模拟预期吻合良好。

   该研究成果以“Efficient Generations of Complex Vectorial Optical Fields with Metasurfaces”为题在线发表在Light: Science & Applications。

本文作者分别是Dongyi Wang, Feifei Liu, Tong Liu, Shulin Sun, Qiong He, Lei Zhou，其中前三位作者为共同第一作者，Shulin Sun, Qiong He和Lei Zhou教授为共同通讯作者。周磊教授团队隶属于复旦大学应用表面物理国家重点实验室。