北京理工大学Light: Science & Applications | 超表面技术实现多自由度光场调控新突破

解决的问题：现有激光场多自由度调控方法存在依赖大型光学元件、系统复杂、计算耗时且难以通过紧凑单一元件实现多自由度按需定制调控的问题。

提出的方法：提出一种智能混合策略，融合标量衍射理论、深度神经网络和几何相位，通过设计仅相位全息图并编码到超表面上，实现对波矢、初相、空间模式、振幅、轨道角动量（OAM）和自旋角动量（SAM）六个自由度的同时定制调控。

实现的效果：实验制备的超表面样品实现了六个自由度、288 维的光场调控，实验结果与模拟高度吻合，总角动量谱测量平均均方误差为 0.0036。

创新点：利用仅相位特性实现多自由度紧凑调控，突破传统方法限制，为片上高维光子学发展开辟新路径。

研究成果以题为 “Hybrid strategy in compact tailoring of multiple degrees-of-freedom toward high-dimensional photonics” 发表于《Light: Science & Applications》上。北京理工大学的Shiyun Zhou为论文第一作者，Shiyao Fu为论文通讯作者 。

摘要：对多个自由度（DoFs）进行定制以实现高维激光场，这对推动光学技术发展至关重要。虽然近年来在操纵有限数量的自由度方面取得了进展，但大多数现有方法依赖于庞大的光学组件或复杂的系统，这些方法采用耗时的迭代算法。最关键的是，通过紧凑的单一元件同时按需定制多个自由度的研究仍不充分。在本研究中，我们提出一种智能混合策略，能够同时且可定制地操纵六个自由度：波矢、初相、空间模式、振幅、轨道角动量（OAM）和自旋角动量（SAM）。我们的方法在仅相位特性方面取得进展，便于在紧凑的超表面上进行实验验证。制备的样品可实现六个自由度的任意操纵，构建了一个 288 维的空间。值得注意的是，由于 OAM 本征态构成无限维希尔伯特空间，该方案可进一步扩展到更高维度。原理验证实验证实了操纵能力和维度扩展的有效性。我们设想，这种强大的定制能力为经典和量子场景下的多功能光子器件提供了巨大潜力，并且这种紧凑性满足了片上集成对维度扩展的需求。

结论：本文提出了一种紧凑的高维多自由度定制方案，通过单个超表面实现对波矢、初相、空间模式、轨道角动量和自旋角动量的按需操纵，一次性在 288 维光场中进行了演示。所提出的混合策略在仅相位特性方面有所突破，便于与各种衍射光学器件集成，以适应不同场景的需求。在超表面样品上进行的原理验证实验取得了有前景的结果。这一成功实施证实了我们的方案增强了自由度的操纵能力并扩展了光场的维度。值得注意的是，由于 OAM 的理论本征态及其相应振幅是无限的，通过利用更多的本征态，这项工作可进一步深化。我们的研究结果不仅为多自由度和高维光束的紧凑操纵提供了方法，还为进一步的片上高维光子学发展奠定了基础，为经典和量子应用中的多功能光子器件提供了巨大的潜力。

图1：方案示意图。

图2：多自由度操纵的智能混合策略原理。

图3：制备的超表面和实验装置。

图4：定制性能可视化。

图5. 用于 OAM 模式分析的实验捕获的反向转换图案。

图6：定量振幅分析。

文章信息：

Zhou, S., Li, L., Gao, L. et al. Hybrid strategy in compact tailoring of multiple degrees-of-freedom toward high-dimensional photonics. Light Sci Appl 14, 167 (2025).

https://doi.org/10.1038/s41377-025-01857-3