复杂矢量光场（即具有特定宏观波前分布和局域偏振态分布的光场）具备不同于传统标量光场的独特性质，在超分辨成像、光学操控等诸多领域存在重要应用。然而，基于传统光学系统（如空间光调制器等）实现的矢量光场，往往器件厚重、体系复杂等问题，特别是无法实现特别复杂的矢量光场。近年来，超构表面--由平面型“人工原子”按特定宏观排列方式构建而成的准二维超构材料，可以在亚波长尺度下实现了一系列奇异光场操控效应，也成为现代光子学的前沿研究方向。其中，国内外科学家基于超构表面成功实现了一些不同功能的矢量光场调控，如多通道矢量光全息，偏振依赖矢量光聚焦等。然而，以往基于超构表面的矢量光场调控仅局限于远场调控，实现的偏振态分布也相对简单，激发的矢量光场的功能较为单一。

图1 基于超构表面的复杂矢量光场调控

针对上述挑战，研究人员从反射式非均匀超构表面出发，提出了一套普适的实现具有特殊波前和任意局域偏振状态分布的复杂矢量光场的新方法。基于严格的琼斯矩阵法分析，发现通过局域且有效地控制超构表面的反射波相位和局域自旋状态（即偏振状态），就可以实现可控波前和局域偏振状态分布的任意矢量光场（见图1）。研究人员首先基于理论模型计算展示了一个理想超构表面如何将一正入射的左旋圆偏振光转化成为具有一定发散性波前和角向依赖的偏振状态分布且带有一定轨道角动量的复杂矢量光束。随后，研究人员利用金属-介质-金属（MIM）的反射式超构表面设计，充分利用人工原子的几何构型自由度来调制局域位置的各向异性和反射相位，从而实现对局域偏振态与波前的调控，最终实现任意的远场矢量光场。在完整的理论指导下，团队在近红外波段实验实现了在均匀左旋圆偏振激励下的复杂远场矢量光场调控（见图2）。

图2 近红外复杂远场矢量光场的产生与实验表征结果

图3 近红外复杂近场矢量光场的产生与实验表征

该成果以“Efficient Generations of Complex Vectorial Optical Fields with Metasurfaces”为题发表在Light: Science & Applications 10, 67 (2021)上。王冬逸, 刘飞飞, 刘通为该文共同第一作者，复旦大学光科系孙树林教授、物理学系何琼副教授和周磊教授为论文共同通讯作者。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市自然科学基金、复旦长光合作基金的资助。

全文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-021-00504-x