《中国科学：物理学 力学 天文学》英文版(SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy, SCPMA)出版中科院光电技术研究所罗先刚、蒲明博团队成果，文章题为“Synthetic vector optical fields with spatial and temporal tunability”，作为2022年第5期封面文章刊出。
偏振态作为光的一种固有特性, 对光场与物质相互作用的调控起着至关重要的作用. 例如, 在大数值孔径聚焦下, 线偏振光的焦斑呈椭圆状, 而径向(角向)偏振光的焦斑呈实心(空心)圆对称焦斑. 由于这些有趣的矢量特性, 矢量光场在许多领域引起了广泛关注, 如非线性光学、单分子成像、激光加工、激光通信和光镊等.
近年来, 空间非均匀光栅和超构表面的出现将偏振调控延伸到亚波长尺度. 然而, 目前偏振光学主要侧重于研究二维偏振调控, 缺乏沿传播方向调控偏振分布的自由度.近期研究表明, 通过超构表面的局域相位调控, 线偏振光的偏振方向可随着光的传播沿顺时针或逆时针方向旋转. 然而, 如何将标量光场转换为纵向和横向同时可调的三维矢量光场仍是一个挑战.
最近, 研究人员提出了一种合成矢量光场时空调控方法[1], 理论上可产生任意三维矢量光场. 其基本机制是通过非对称光子自旋轨道相互作用来解耦两个正交偏振态, 在横向和纵向空间获得所需的相位和振幅差, 从而合成出具有时空可调谐性的任意三维矢量光场. 作为验证, 在均匀标量光场的照射下(线偏振光), 研究人员利用单层超构表面产生了纵向变化的柱状矢量光场, 其沿光轴的偏振分布在径向偏振和角向偏振之间连续且周期性地切换, 从而形成三维矢量光链. 该偏振分布类似于在旋光物质中传输的柱矢量光束, 但该现象发生在自由空间中, 是通过自旋解耦调控对左右旋圆偏振光引入传播常数差实现的. 实验结果表明, 该三维柱矢量场的纵向周期和横向尺寸可以独立控制. 此外, 还可以通过旋转入射线偏振光的偏振方向引入时间可调维度, 从而实现三维矢量场动态调控, 在激光加工、粒子捕获等领域具有应用前景.
新加坡国立大学洪明辉教授认为“合成矢量光场时空调控方法具有较强的可扩展性, 除了可产生最具代表性的柱状矢量光场外, 理论上能够在三维空间中产生更多形式的矢量光场, 包括多奇点矢量光场以及其他没有柱状对称性的复杂矢量光场.“[2]
总之, 该方法使矢量光场调控从二维空间迈向三维空间, 为焦场调控、光力操控、激光通信和激光加工等领域提供了新的研究自由度.
作者简介
蒲明博
研究员，博士生导师，国家优青获得者。曾获国家技术发明二等奖、四川省科技进步特等奖、中国科学院院长特别奖等荣誉。长期致力于平面光学成像、超分辨成像、悬链线光学、矢量光场调控及其在远距离能量和信息传输等方面的基础和应用基础研究。
罗先刚
研究员，博士生导师，中国工程院院士。研究领域为微纳光学、亚波长电磁学、结构功能材料、轻小型光学器件及系统等。