基于氮化镓超表面的蓝光自旋-轨道角动量任意转换器件研究

Optical vortex beam that carries orbital angular momentum of light (OAM) holds great potential in application fields such as quantum computation, high-capacity optical communication and super-resolution microscopy, etc. Spin-to-orbital conversion of light using metasurface is an efficient way to generate optical vortex beam. Currently, two challenges remain for this field: 1. materials such as Si and TiO2 usually used for construction of all-dielectric metasurface possess drawbacks such as limited efficiency in the visible range and/or high complexity in fabrication process. 2. Present metasurface spin-to-orbital converters generally work in mid-infrared, near-infrared, red and green wavelength range, and there is no metasurface spin-to-orbital converter purposely designed and optimized for blue light. To tackle the above mentioned challenges, this project proposes to utilize highly transparent wide bandgap semiconductor – GaN, as the basic material to construct metasurface and will study industry-compatible fabrication techniques of GaN metasurface experimentally; this project also proposes to design and optimize metasurface spin-to-orbital converter working at 457 nm blue light wavelength, matching the essentiality of blue light in the field of quantum optics. This project will demonstrate an arbitrary spin-to-orbital converter based on GaN metasurface wokring at blue wavelength range. This research project will promote the application of metasurface spin-to-orbital converter in fields such as high-capacity optical communication and quantum computation, etc., thus holding great scientific significance.

携带轨道角动量的涡旋光束在量子计算、大容量光通信、超分辨显微等领域拥有巨大应用前景。基于超表面的光自旋-轨道角动量转换是产生涡旋光束的有效手段，目前国际上在该领域存在两个挑战：1.超表面常用材料如Si、TiO2等面临着可见光波段效率不高、制备工艺复杂等困难；2.现有器件基本工作在中、近红外及红光、绿光波段，没有专门针对蓝光波段设计和优化的超表面自旋-轨道角动量转换器件。本项目提出利用在整个可见光波段高度透明的宽禁带半导体GaN作为基础材料，实验研究制备高质量GaN超表面的工业兼容加工技术；提出针对457nm蓝光波长进行超表面自旋-轨道角动量任意转换器件的优化设计，以匹配蓝光在量子光学领域中的重要性，最终实现在蓝光波段工作的GaN基超表面自旋-轨道角动量任意转换器件。研究成果将推动超表面自旋-轨道角动量转换器件在大容量光通信及量子计算等领域的应用，具有重要的科学意义。

基于微纳结构阵列的超表面因其灵活的光场调控能力是当前的一个前沿研究热点。本项目主要围绕GaN超表面实现蓝光波段工作的光自旋-轨道角动量任意转换器展开，包括GaN超表面的器件设计、微纳加工工艺及器件性能测试。通过项目的实施比较全面地完成了既定研究计划，取得的主要研究成果包括：研究了基于联合相位调控机制的GaN超表面结构单元设计，并基于联合相位调控机制设计了可对左右旋圆偏振入射光产生不同拓扑荷涡旋光束的SAM-OAM转换器件；研究了GaN纳米结构阵列的微纳加工工艺，特别是在GaN折射率不是特别大的情况下，突破了高深宽比GaN纳米结构阵列的制备工艺，实现横向特征尺寸<50 nm，高度>700 nm的高深宽比纳米结构制备；实验展示了不同圆偏振入射情况下，器件产生拓扑荷不等的涡旋光束的能力。此外，在本项目的支持下，本项目还在超材料红外完美吸收体、反射式超表面透镜、固体浸没式超表面透镜以及基于级联超透镜的望远镜系统等方面开展了一些工作，取得了相应成果。本项目取得的研究成果可在一定程度上推进超表面器件在光的轨道角动量态调控、红外光谱调控、高性能小尺寸成像系统等领域的应用。. 在本项目的资助下，共发表学术论文6篇，其中SCI检索期刊论文4篇，EI检索期刊论文2篇，申请中国发明专利19项，并获授权5项，处于实质审查阶段14项。超额完成了项目预定的研究目标。