超表面是由亞波長間隔的光學散射體組成的平面光學器件，能夠?qū)崿F(xiàn)對光場偏振、振幅、相位和傳播模式的精確調(diào)控。相比傳統(tǒng)光學元件，具備輕薄和多功能集成等優(yōu)勢，為微型化光學系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了重要的解決方案。基于超表面的偏振調(diào)控及復用研究受到了廣泛關注，已被應用于偏振探測、顯微成像、量子態(tài)測量等領域。目前，超表面偏振調(diào)控理論主要集中在完全偏振轉(zhuǎn)化條件下，即假定入射光被超表面全部轉(zhuǎn)化成其正交復共軛態(tài)，這樣導致偏振復用通道數(shù)受限，且實際中未被偏振轉(zhuǎn)化的能量會被浪費掉。針對該問題，研究者最近提出了多原子耦合、多層耦合模型以實現(xiàn)更多通道的偏振復用，但是這些方法存在空間采樣率減小導致編碼信息的劣化，以及超表面層數(shù)增加導致調(diào)控效率降低等問題。另外，目前的超表面偏振調(diào)控方法也未能實現(xiàn)不同偏振通道間能量的任意分配。

西安光機所超快光科學與技術全國重點實驗室張文富研究員、王國璽研究員團隊與南京大學李濤教授團隊合作，提出了一種超表面偏振光學相位調(diào)控的廣義框架理論，可以實現(xiàn)多通道任意偏振態(tài)相位的獨立控制和不同通道間能量的任意分配，拓展了超表面在偏振光學中的應用范圍，為多功能超表面光子器件研制開辟了新途徑。相關研究成果以“Metasurface Polarization Optics: Phase Manipulation for Arbitrary Polarization Conversion Condition”為題發(fā)表在Physical Review Letters上。西安光機所李思奇副研究員和南京大學陳晨副研究員為論文的共同第一作者，張文富、李濤為共同通訊作者，該工作得到了趙衛(wèi)研究員的悉心指導。

團隊在揭示偏振光與介質(zhì)納米柱作用過程中自旋軌道耦合機制的基礎上，引入新的偏振轉(zhuǎn)化因子項，構(gòu)建了超表面廣義相位調(diào)控框架，可以實現(xiàn)多通道任意偏振態(tài)相位的獨立控制和不同通道間能量的任意分配。框架原理示意圖如圖1所示，任一偏振態(tài)的光可以被超表面轉(zhuǎn)化成復共軛態(tài)和正交復共軛態(tài)兩部分，這兩部分光場的相位和能量可以進行獨立的控制。

圖1.超表面廣義相位調(diào)控框架概念示意圖

基于上述框架理論，團隊首先對最一般的偏振態(tài)調(diào)控情形即橢偏態(tài)相位的獨立控制進行了驗證。根據(jù)提出的相位約束方程，設定每個通道的能量相當，在超表面的三個橢偏復用通道上編碼不同的全息圖，如圖C2所示。可以看出不同橢偏通道可精準地加載不同的相位信息從而產(chǎn)生對應的強度分布。

圖2.橢圓偏振態(tài)相位調(diào)控結(jié)果

團隊設計了一系列不同偏振轉(zhuǎn)化因子的超表面，不同偏振通道編碼信息對應同一個圓周上不同位置的聚焦點，通過偏振態(tài)的選擇可以將能量聚焦到不同位置，如圖C3所示。結(jié)果顯示隨著轉(zhuǎn)化因子的變化，不同通道的能量也相應發(fā)生改變。因此，通過改變偏振轉(zhuǎn)化因子實現(xiàn)了不同通道間能量的精確控制。綜上，該理論適用于任意偏振態(tài)相位的獨立控制和不同偏振通道間能量的任意分配。

圖3.偏振復用通道間能量操控結(jié)果

此外，在該理論基礎上，團隊設計制作了可對量子態(tài)進行廣義測量的光學超表面，提出并實現(xiàn)了一種基于廣義測量的自學習量子態(tài)重構(gòu)方法，有效降低了多光子糾纏度量的實驗復雜度、采樣復雜度和后處理復雜度。相關研究成果以“Efficient characterizations of multiphoton states with an ultra-thin optical device”為題發(fā)表在Nature Communications上。山東大學逯鶴教授和中國科學院西安光機所王國璽研究員為論文共同通訊作者。

團隊設計了可對量子態(tài)進行廣義測量的光學超表面，可以同時將光子偏振狀態(tài)展開到信息完備測量基矢上，并將六束光分解到不同的空間通道進行探測。利用此超表面的八面體廣義測量進行了陰影層析實驗，僅需要幾百毫秒就可以實現(xiàn)偏振態(tài)投影算符的期望值估計（如圖4所示）。

圖4.超表面偏振態(tài)層析結(jié)果

團隊還提出了一種自學習陰影層析技術（SLST），結(jié)合同步擾動隨機逼近算法（SPSA），用陰影層析對弗羅貝尼烏斯范數(shù)進行無偏估計并作為損失函數(shù)，再用SPSA對描述量子態(tài)的參數(shù)做全局優(yōu)化進行量子態(tài)重構(gòu)。實驗結(jié)果表明，在同樣的采樣數(shù)目下，SLST以較小的經(jīng)典迭代次數(shù)達到更高的精度，可以有效降低重構(gòu)量子態(tài)所需要的樣本復雜度的后處理復雜度，并且具有抗噪聲的優(yōu)點（如圖5所示）。

圖5.不同算法下雙光子態(tài)保真度重建結(jié)果

上述研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院青促會等項目的支持。

論文鏈接1：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.023803

論文鏈接2：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48213-4