伦敦国王学院Nature Communications：各向异性ENZ超材料实现矢量光束新操控

解决的问题：在光场调控中，精确操控矢量涡旋光束的偏振结构和模式内容存在挑战，传统方法难以满足需求。本研究旨在探索新途径，以实现对携带纵向场分量的矢量光束的有效操控，为光学应用提供更多可能。

提出的方法：通过实验和理论研究，利用基于金纳米棒阵列的强各向异性超材料，其具有极端各向异性和近零介电常数（ENZ）特性。借助超材料对矢量光束纵向和横向电场分量响应的差异，在不同聚焦和偏振条件下，调控矢量光束的传播特性。

实现的效果：实现了对矢量光束偏振结构和模式内容的调控。在 ENZ 区域，径向光束高阶模式被有效过滤，近衍射极限聚焦得以实现；在弱聚焦和斜入射时，超材料可作为线性偏振器，改变光束强度和矢量结构，实现波长选择性偏振转换。

创新点：利用各向异性 ENZ 超材料操控矢量涡旋光束。相比传统方法，该方法可在正常入射下实现纵向场与超材料的强耦合，通过各向异性吸收调控光束，为矢量波前塑造提供新平台，在多领域有潜在应用价值。

研究成果以题为 “Longitudinal field controls vector vortex beams in anisotropic epsilon-near-zero metamaterials” 发表于《Nature Communications》上。英国伦敦国王学院Vittorio Aita、Diane J. Roth为论文共同第一作者，Vittorio Aita、Diane J. Roth为论文共同通讯作者。

摘要：结构光在计量学、光捕获与操控、通信、量子技术和非线性光学中发挥着重要作用。在此，我们展示了一种利用极端各向异性超材料操控携带纵向场分量矢量光束的替代方法。通过矢量光谱学，我们发现非均匀偏振的复杂光束传播，受超材料各向异性与光束横向和纵向场结构相互作用的强烈影响。这种现象在近零介电常数（ENZ）区域尤为显著，该区域仅对沿超材料光轴偏振的光实现，强烈影响纵向场与超材料的相互作用。维持光束轴上偏振奇点所需的横向和纵向场之间的平衡条件，使得光束模式内容得以控制、衍射效应得以过滤，并可定制空间偏振分布。对矢量光束与超材料相互作用的理解，为其在显微镜、信息编码、生化传感和量子技术中的应用开辟了新机遇。

结论：超材料和超表面在光的空间和/或偏振整形方面提供了众多机会和应用。二维超表面已成为操纵复杂非均匀偏振光束的有力工具，可用于生成和操纵这些光束。通过设计超表面赋予空间变化的相移，能够创建涡旋光束的螺旋相位结构，或将线偏振光转换为径向或方位角偏振光。使用级联超表面可以提高生成光束的纯度和可控性，从而产生高质量的涡旋光束。这些光束操纵功能，从简单的偏振滤波到具有复杂强度和偏振分布的光波前的生成和控制，在众多应用中都非常重要。与二维超表面不同，在本工作中，我们通过实验和理论研究了矢量光束与由等离子体纳米棒阵列制成的超材料之间的相互作用。这种超材料具有单轴晶体的特性，对于特定偏振方向表现出极端各向异性和 ENZ 行为。我们表明，通过选择不同的偏振态和聚焦条件，矢量光束的纵向场可以被调整，以实现与超材料沿其光轴的 ENZ 行为的强耦合，即使在正常入射时也是如此。横向和纵向场的各向异性吸收以及对电场散度的要求，通过操纵径向光束的纵向场，导致了其衍射的抑制。在傍轴（弱聚焦）区域，纵向场较弱，在斜入射时可以利用超材料的各向异性，利用横向场的各向异性吸收。特别是，光束的强度和矢量结构以超材料作为窄带线性偏振器的方式被改变。各向异性 ENZ 区域的光谱位置对与纵向场的相互作用很重要，在制造阶段可以在可见光和红外区域进行调整。因此，矢量涡旋光束与各向异性 ENZ 超材料的相互作用，有望为设计矢量波前整形提供一个多功能平台，这对于包括光通信、显微镜和光学计量在内的各种应用都具有重要意义。

图1：单轴超材料的光学特性。

图2：矢量光束光谱学。

图3：紧密聚焦径向光束的模式内容。

图4：紧密聚焦径向光束的衍射抑制。

图5：超材料作为线性偏振器。

文章信息：

Aita, V., Roth, D.J., Zaleska, A. et al. Longitudinal field controls vector vortex beams in anisotropic epsilon-near-zero metamaterials. Nat Commun 16, 3807 (2025).

https://doi.org/10.1038/s41467-025-58088-8