近日，复旦大学孙树林教授、周磊教授与香港大学王冬逸博士合作，提出一种基于级联介质超构表面的太赫兹结构光调控方法，实验实现了涡旋光束轨道角动量与局域偏振态的“加法”和“减法”操作。该工作为高阶标量及矢量涡旋光束的产生、变换与恢复提供了新方案。该成果以“Manipulating structured terahertz beams by cascaded dielectric meta-systems”为题发表于《Opto-Electronic Technology》。

传统涡旋光束调控通常依赖螺旋相位板、空间光调制器等光学元件，面临体积庞大、功能单一、不易集成等瓶颈。近年来，超构表面为光场调控提供了新范式，通过设计亚波长微纳结构单元的几何参数及其空间排布，可灵活调控光场的波前、偏振等特性。然而，以往广泛采用的单层超构表面在高阶涡旋光束产生、拓扑荷灵活调节及偏振自由度利用方面仍面临挑战。如何引入新的自由度以突破单层超构表面的功能限制，全面利用光场的角动量、偏振等多重自由度，已成为该领域亟待解决的关键科学问题。

针对这一问题，研究团队建立了描述级联超构表面透射特性的琼斯矩阵理论框架，分析多层器件中相位和偏振变化的传递关系。理论表明，在特定偏振转换条件下，各层引入的相位贡献可以相互叠加或抵消，从而实现光场调控的“加法”与“减法”。依据这一设计思路，团队制备了硅基介质超构表面单元：在0.6 THz工作频率下，器件具有较高透射效率，并可实现覆盖2π范围的相位调控。研究团队进一步构建三种双层级联系统，开展实验验证（图1）。

图1. 透射式级联超构表面系统产生及调控矢量涡旋光束示意图。

首先，研究团队验证了标量涡旋光束的“加法”调控。左右旋圆偏振太赫兹波分别入射第一种级联系统后，输出拓扑荷分别为+6和+10的高阶标量涡旋光束。实验测量展示了器件结构及不同位置处的光场分布，验证了系统对涡旋光束轨道角动量的调控能力（图2）。

图2. 级联超构表面系统I产生涡旋光束及实现“加法”运算的实验表征。

其次，第二种系统实现了矢量涡旋光束的“减法”调控：第一层超构表面将均匀圆偏振入射光转化为携带特定拓扑荷的矢量涡旋光束，第二层则抵消前一层引入的调控，使输出光场恢复至入射状态。进一步地，第三种系统实现了手性解耦的双功能矢量涡旋光束产生与恢复。左右旋圆偏振入射时，系统可分别产生具有不同拓扑荷的径向或角向矢量涡旋光束，并通过第二层超构表面实现恢复（图3）。

三种级联系统的实验测试效率分别为12%、58%和36%，相应仿真效率分别为79%、89%和65%。实验结果表明，级联器件不仅能够产生不同拓扑荷的涡旋光束，还可对光场偏振进行组合调控，并通过后续器件实现预设变换的抵消。

图3. 级联超构表面系统III产生手性解耦双功能矢量涡旋光束及实现“减法”运算的实验表征。

总体而言，该研究将多层超构表面的相位与偏振调控相结合，实验实现了太赫兹涡旋光束轨道角动量和局域偏振态的可编程“加减”操作，为复杂高阶矢量光场的构造与变换提供了新方法，有望为基于太赫兹通信、光学信息处理及高维光场调控研究提供新思路。

复旦大学未来信息学院朱芷琰博士生、香港大学王冬逸博士和首都师范大学南通博士生为论文第一作者，复旦大学未来信息创新学院孙树林教授、物理学系周磊教授及香港大学王冬逸博士为论文通讯作者。研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金及上海市自然科学基金支持，感谢中科院苏州纳米所、首都师范大学张岩教授团队在样品制作、实验测试方面分别提供的帮助。

文章链接：https://www.oejournal.org/oet/article/doi/10.29026/oet.2026.260023