复享光学-MetronLens在微型可调式艾里光束超构器件中的应用

【概述】艾里光束因其无衍射、自加速和自修复等独特性质引发了广泛的研究兴趣。自被发现以来，人们对可调谐艾里光束的需求不断增加，目前已经发现该光束可对其传播轨迹进行精确控制，能够沿着指定曲率路径对空气或液体中的粒子进行光学操纵，并具备穿越障碍物的能力。以往，艾里光束的产生和调谐通常依赖复杂的光学透镜系统和空间光调制器（SLM），这类技术手段在实现精确控制和功率输出相关需求上面临限制，并且也难以实现紧凑化和和集成化的光学系统。

图1，艾里光束在自由空间沿弯曲路径进行传输

最近，香港城市大学的蔡定平教授和哈尔滨工业大学（深圳）的肖淑敏教授在 Opto-Electronic Advances 杂志上联合发表了一篇题为《Miniature tunable Airy beam optical meta-device》的研究文章。该研究利用双层全介质超构器件生成可调谐的艾里光束，通过旋转超构器件中的两个超表面改变相位面来动态地操纵艾里光束的轨迹，实验结果与理论预测的艾里光束的强度分布和传播轨迹高度吻合，验证了这一超构器件的可行性和灵活性。

【样品 & 测试】该超构器件由两片具有不同的非晶二氧化钛（TiO₂）圆柱形纳米棒阵列的超表面组成，纳米柱阵列周期为 300nm，单片超表面直径均为 1mm，工作波长为 532nm， TiO₂ 柱直径从 50nm 到 113nm 逐渐变化，相位覆盖 2π（图2a）。如图2d、2g所示，通过使用复享光学的 MetronLens 对两片超表面的相位分布进行测量，证实了设计和制造之间的高度一致性。

图2，超构器件的表征（a）超表面纳米天线的光学特性。 当直径从50nm变化到113nm时，其相位可以包含完整的2π周期。（b~h）、（e~f）分别是第一片和第二片超表面的设计相位分布结果、光学显微镜照片、实验测量的超表面的相位分布、超构器件的扫描电子显微镜（SEM）图像。 比例尺：100μm，其中相位实验测量利用复享光学的MetronLens

作者通过上述超表面叠加组成超构器件，旋转改变两个超表面之间的角度改变其相位对艾里光束的方向进行调谐，并通过两组菲涅耳衍射算法模拟和实验结果对该方法进行验证，理论仿真结果和实验结果分别如图2a~c 和图2d~f 所示。其中，图2a 和图2d 两个叠加超表面的旋转角度分别为均为 0π 和 0π 、-π/2 和 π/2 ，对应的理论结果（图3b、e）和实验测量结果（图3c、f）高度吻合，都显示出艾里光束方向和受控轨迹被有效调谐，说明这一超构器件在艾里光束调谐中的可行性。

图3，旋转两个超表面改变其相位，对艾里光束调控的仿真和实验结果。（a~b）两个超表面的旋转角度均为0π时，两个超表面叠加时获得的相位及其对应的仿真结果，（c）实验结果；（d）当旋转角度分别为-π/2和π/2时，两个超表面叠加时获得的相位，（e）旋转角度设置为（d）时的仿真结果，（f）实验结果。

在超构器件相位的前沿应用探索中，实验表征是直接获得这类样品相位分布的最佳方式和重要证明手段。复享光学的超构透镜光学检测系统MetronLens，是面向超构透镜、超构表面、微透镜阵列等平面光学元件的全球首款专用光学检测系统，可在 μm 尺度下实现超构表面、超构透镜等微纳光学元/器件的相位分布、光场分布和远场分布的原位检测，揭示平面光学元件的多项性能指标，为验证其设计、制备提供强有力的检测工具。
      
【总结】通过利用超表面构建实现微型可调式艾里光束超构器件，具有小型化、易集成和易控制的优势，在光学控制、激光加工等应用中具有巨大潜力，利用实验手段对其中的超表面进行相位分布表征验证其设计、制备具有重要意义。复享光学的超构透镜光学检测系统MetronLens ，使得对超表面的相位分布直接表征成为可能。展望未来，复享光学的相位分布表征技术将持续在微纳光子学研究领域发挥关键作用，进一步推动光子学的进步。

图4，文章对复享光学 MetronLens 的标注

【参考文献】
      ✽ Zhang JC, Chen MK, Fan YB,;et al. Miniature tunable Airy beam optical meta-device. Opto-Electronic Advances (2024).