近日，现代工学院徐挺教授和陆延青教授团队提出一种可同时对入射光场的偏振信息、轨道角动量信息和波长信息产生响应的集成化全介质超构表面。该研究成果以"Broadband Detection of Multiple Spin and Orbital Angular Momenta via Dielectric Metasurface"为题，发表于知名光学期刊《Laser & Photonics Reviews》。（LPR 2020, 2000062. https://doi.org/10.1002/lpor.202000062 ）。
光场的多维调控是微纳光学的重要研究方向，而超构表面在光场调控中的优异表现有目共睹，因此研究者开始关注超构表面的复用和多种功能一体化实现，从而进一步推动集成纳米光子学的发展。其中复用是通讯和计算机网络中的常用概念，意为在一个信道上传输多路信号或数据，而在光学中通常意味着多个自由度作为独立的信号通道。利用各项异性结构单元实现偏振复用是复用超构表面的常用解决方案之一，此外超构表面可控的自由度还有波长、角度和模式等，通过结构设计可以将多个信息维度和功能集成到同一超构表面上。在超构表面相关的光场调控应用中，轨道角动量作为光场重要的内禀性质，在光场成像、全息及通信等领域都有着重要应用，因此相关的研究方向一直以来广受研究者关注。

图1. 基于全介质超构表面的多维光学信息检测
在以往的研究中，OAM检测的实现手段包括等离激元光学器件，变换光学系统和达曼涡旋光栅等。无疑这些方法给OAM的检测提供了新的思路，但同时也带来了其他限制。针对以上问题，该研究提出一种基于单层全介质超构表面的OAM解复用器件，可以用于光场信息的多维度检测，包括光的SAM信息，OAM信息和波长信息。超构表面的设计结合了两种类型的光学相位调制，包括几何相位和动态相位，可以解决SAM信息丢失的问题。而介质材料在可见光波段的低损耗特性可以进一步提高透射型器件的效率。当携带不同SAM和OAM模式的共轴光束经过该解复用器件后，被衍射为一系列沿不同波矢方向传输的涡旋光束。入射光的本征SAM和OAM信息被转化为光场强度的空间分布信息，可以通过成像系统进行采集和分析。此外，由于超构表面的宽带响应特性和动量守恒原则，该器件可以进一步对波长信息进行解复用。通过该器件可以将带有不同SAM，OAM和波长信息的复杂叠加场解复用，并将三个信息维度作为独立信道处理。因此该器件有望在集成化的微纳光学系统和量子通信系统中发掘应用。该器件能够直观建立起光场多维信息与光场分布图样的联系，对于提高系统的信息容量有着重要意义。而由于超构表面的平面结构和超薄化等特点，该解复用器在集成光通信系统和量子信息系统中有着广阔的应用前景。



图2. 多维光学信息检测仿真与实验结果对比
南京大学现代工程与应用科学学院17级博士生张思博为论文第一作者，徐挺教授、陆延青教授为共同通讯作者，霍鹏程同学、陈鹏副研、刘明泽同学对本文亦有重要贡献。该研究由国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费等项目资助完成。