說明 | 本文由論文作者（課題組）撰稿

撰稿 | 仇成偉（新加坡國立大學）

相信大家小時候都看到過這樣一類有趣的圖片：同一張圖（如圖1），有人看到的是花瓶，有人看到的是兩張側臉。這類圖被稱為雙歧圖（名詞解釋>>>），在我們將圖片的不同部分作為知覺對象時，往往會有不同的收獲，正應了蘇軾在《題西林壁》中寫的“橫看成嶺側成峰，遠近高低各不同”。

圖1：人臉與花瓶（Rubin’s vase）

無獨有偶，在我們觀察一些植物的葉序形態(tài)時，也可以找到類似的有趣現(xiàn)象。例如，向日葵的種子和松果的葉子，都是按照一種特殊的螺旋線結構排布的，這種螺旋線結構，被稱為黃金螺旋線，又稱為“斐波那契螺旋線”（名詞解釋>>>）。如果把這些葉序結構中的每一粒種子/葉子都看成一個個小的納米篩孔，我們會發(fā)現(xiàn)在這樣一種結構中，由于結構簡并性會產(chǎn)生多種模糊態(tài)結構，即將相鄰的納米篩孔按照不同的軌跡連起來時，可以找到多組不同螺旋線結構，且不同組螺旋線結構包含的螺旋線條數(shù)與斐波那契數(shù)列一致（如圖2所示）。而當我們把納米篩孔按照螺旋線的軌跡直接連起來時，這種由結構簡并性帶來的多種模糊態(tài)結構就不復存在了。

圖2：探究植物葉序“斐波那契螺旋線”與軌道角動量的神秘關系（l為拓撲荷數(shù))

近年來，渦旋光作為一種具有螺旋形相位波前以及中心相位奇點的特殊光束在量子光通信、超分辨成像、微納顆粒的操控、以及多通道信息存儲等先進應用領域都發(fā)揮著重要的作用。在現(xiàn)有方案中，人們常常通過螺旋相位板、空間光調制器、叉型光柵等傳統(tǒng)光學器件來產(chǎn)生攜帶特定拓撲荷數(shù)的渦旋光束。然而，利用這些方法產(chǎn)生渦旋光束對系統(tǒng)的進一步縮小以及集成化都帶來了限制。超表面以其對光束波前相位和振幅的靈活操控以及超薄的厚度和超緊湊的體積為渦旋光束的產(chǎn)生帶來了新的機遇與發(fā)展。通常，現(xiàn)有方案在利用超表面產(chǎn)生特定拓撲荷數(shù)的渦旋光束時，通過設計對入射光產(chǎn)生0~2π梯度相位響應的微納單元結構并對這些微納單元結構進行相應排布來實現(xiàn)。為了實現(xiàn)光學器件的多功能性以及進一步推動光學器件的集成化，當需要通過一個超表面微納光學器件產(chǎn)生多個不同拓撲荷數(shù)的渦旋光束時，現(xiàn)有方案通常依靠將具有不同相位響應的微納單元結構通過分區(qū)域排布或者交錯排布的手段來實現(xiàn)。在此類方案下，每個微納單元結構仍只服務于產(chǎn)生其中某個特定拓撲荷數(shù)的渦旋光束。與此同時，為了抑制不同微納單元結構之間的交叉耦合效應，相鄰微納單元之間需要有足夠的距離，而這又反過來降低了器件的緊湊性以及通道容量。

為了解決此問題，新加坡國立大學仇成偉教授領導的交叉研究團隊以我們?nèi)粘Ｉ钪欣糜^察者知覺認識而產(chǎn)生多種模糊態(tài)結構的這種現(xiàn)象為靈感設計多通道軌道角動量生成器，實現(xiàn)了自由空間以及近場環(huán)境下的多通道軌道角動量的操控。該多通道軌道角動量生成器為金屬納米篩結構，利用結構簡并性，此種納米篩超表面中的每個微納單元結構（即單個納米篩孔結構）都服務于該器件所產(chǎn)生的所有不同拓撲荷數(shù)的渦旋光束，真正實現(xiàn)了“一孔多用”，從而為超表面多通道渦旋光束的產(chǎn)生打開了新的途徑。

相關研究成果以“Phyllotaxis-inspired Nanosieves with Multiplexed Orbital Angular Momentum”為題發(fā)表在eLight。

圖3：該論文在eLight在線發(fā)表的頁面截圖

在這項工作中，研究人員首先通過數(shù)值仿真和理論推導，文章揭示了為什么“斐波那契螺旋線”式納米篩結構可產(chǎn)生多個階數(shù)的軌道角動量，這促使研究者們設計了以葉序形態(tài)為靈感的納米篩結構，從而在單個器件中實現(xiàn)多通道軌道角動量的操控。與此同時，研究者們發(fā)現(xiàn)該原理同時適用于自由空間以及近場光學系統(tǒng)。在自由空間中，軌道角動量的階數(shù)與入射光的自旋狀態(tài)無關；而在近場光學系統(tǒng)中，我們將得到包含自旋到軌道角動量轉換的多個不同拓撲荷數(shù)的軌道角動量。在此基礎下，依據(jù)之前的理論推導，研究者們分別設計并制備了在遠場及近場環(huán)境下工作的葉序形態(tài)的納米篩超表面。在該納米篩超表面中，多個不同軌道角動量的產(chǎn)生來源于單個器件中“蘊藏”的多組螺旋結構，每組螺旋結構分別對應于一種不同拓撲荷數(shù)的軌道角動量。文中的仿真結果以及靜態(tài)和動態(tài)實驗結果都對該葉序形狀的納米篩超表面的功能進行了有效驗證。

圖4：基于葉序形態(tài)的自由空間渦旋納米篩

圖5：基于葉序形態(tài)的近場環(huán)境下工作的渦旋納米篩及其動態(tài)測試結果

文中介紹的策略為我們提供了一種新的多模態(tài)軌道角動量操控方法。與相位控制型超表面軌道角動量發(fā)生器相比，文中的葉序狀納米篩具有更強的魯棒性。這意味著即使納米篩中的部分納米篩孔被破壞，該器件仍能保持其原有的功效，而這一特點反過來又降低了對其加工工藝的嚴苛要求。該葉序狀納米篩超表面為片上光子器件、光通信以及量子手性光學等先進應用領域提供了新的思路。

論文信息：

Jin, Z., Janoschka, D., Deng, J. et al. Phyllotaxis-inspired nanosieves with multiplexed orbital angular momentum. eLight 1, 5 (2021).

論文地址：

https://doi.org/10.1186/s43593-021-00005-9

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近年來，新加坡國立大學仇成偉教授團隊在光學軌道角動量的研究與應用方面進行了一系列探索，近5年內(nèi)部分相關研究如下：

1.Mehmood, M. et al. Visible‐frequency metasurface for structuring and spatially multiplexing optical vortices. Adv. Mater.28, 2533-2539 (2016).

2.Mei, S. et al. Flat helical nanosieves. Adv. Funct. Mater.26, 5255-5262 (2016).

3.Qiu, C.-W. & Yang, Y. Vortex generation reaches a new plateau. Science357, 645-645 (2017).

4.Huang, K. et al. Spiniform phase-encoded metagratings entangling arbitrary rational-order orbital angular momentum.Light Sci. Appl.7, 17156-17156 (2018).

5.Jin, L. et al. Dielectric multi-momentum meta-transformer in the visible. Nat. Commun.10, 4789 (2019).

6.Yang, Y. et al. Deuterogenic plasmonic vortices. Nano Lett.20, 6774-6779 (2020).

7.Bao, Y. et al. A minimalist single‐layer metasurface for arbitrary and full control of vector vortex beams. Adv. Mater.32, 1905659 (2020).

8.Sroor, H. et al. High-purity orbital angular momentum states from a visible metasurface laser. Nat. Photon.14, 498 (2020).

9.Ni, J. et al. Giant helical dichroism of single chiral nanostructures with photonic orbital angular momentum. ACS Nano15, 2893-2900 (2021).

10.Ni, J. et al. Gigantic vortical differential scattering as a monochromatic probe for multiscale chiral structures. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.118, e2020055118 (2021).

11.Ouyang, X. et al. Synthetic Helical Dichroism for Six-Dimensional Optical Orbital Angular Momentum Multiplexing, Nat. Photon., in press (2021).

12.Ni, J. et al. Multidimensional phase singularities in nanophotonics. Science, in press (2021).

監(jiān)制 | 郭宸孜、孫婷婷、趙陽

編輯 | 趙唯

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