基于全介质超构表面的非凸轨迹自加速光束构造与实现研究

A wave front contains the essential information on light including the phase, amplitude, and polarization, which influences the propagation of the light field and its interaction with matter. An appropriate wave-front design can lead to light fields capable of propagating along curved trajectories in free space, namely, self-accelerating beams, which is capable of evading obstacles in the light paths and thus can be useful for energy, information or object delivery using light. In this project, we target to make breakthroughs in the construction and realization of self-accelerating beams. In the design, we plan to employ a new method of Wigner distribution function in phase space, and aim at realizing the construction of accelerating beams propagating along nonconvex trajectories, as well as the intensity and polarization characteristics of their main lobes controllable by introducing additional amplitude and polarization modulations. In the realization, we plan to design and fabricate single-layer all-dielectric metasurfaces and cascaded structures to efficiently manipulate the wave front of incident light fields into self-accelerating beams. The design of the all-dielectric metasurfaces will be based on the geometrical phase, structural birefringence, two phase-modulations and so on, while the fabrication will employ micro-nano processing techniques including E-beam lithography and reactive ion etching. These investigations are beneficial for the efficient and precise generation of self-accelerating beams and also significant for subsequent research on their interactions with matter to light new potential applications.

光场的波前包含振幅、相位和偏振态等重要信息，直接影响其传播行为以及与物质的相互作用。通过特殊的波前设计可以使光场自发地沿着弯曲的轨迹传播，即自加速光束，这独特的弯曲传播特性使其能够有效地避开特定障碍物的遮挡，在利用光束进行能量、信息以及物质传输的很多场景都具有非常重要的应用前景。本项目拟在自加速光束的构造与实现上取得突破。在构造方面，将采用相空间构造魏格纳函数的新方法，设计沿着非凸轨迹传播的新型自加速光束，并通过引入额外的振幅和偏振调制，设计出主瓣强度和偏振变化均可控的自加速光束。在实现方面，将研究单层全介质超构表面以及多层级联结构，通过对入射光波前进行高效调控来产生自加速光束。全介质超构表面的设计将基于几何相位、结构双折射以及二次相位调制等原理，进而采用电子束直写和等离子体刻蚀等微纳加工工艺进行制备。这对于实现自加速光束高效且精准地产生以及后续开展与物质相互作用的研究与应用具有重要意义。

光场的波前包含振幅、相位和偏振态等重要信息，直接影响其传播行为以及与物质的相互作用。通过特殊的波前设计可以使光场在自由空间中自发地沿着弯曲的轨迹传播，即自加速光束，这独特的弯曲传播特性使其能够有效地避开特定障碍物的遮挡，在利用光束进行能量、信息以及物质传输的很多场景都具有非常重要的应用前景。因此，如何根据目标光场传播行为逆向反演确定出所需要的波前结构仍然是目前自加速光束研究领域需要解决的关键问题之一。而在微纳光子结构设计的基础上通过构建单层乃至多层级联全介质超构表面，对入射光波前的振幅、相位和偏振进行调控，从而实现所构造自加速光束高效且精准地产生是目前自加速光束研究领域需要解决的又一关键问题。为解决上述光场波前调控中的两个关键问题，本项目聚焦研究非凸轨迹自加速光束实现的新方法作为切入点，并探索基于新型空间自加速光束的信息传输应用。在项目执行期内，发展基于相空间构造魏格纳函数来设计自加速光束的新方法，设计沿着非凸轨迹多次弯曲传播的自加速光束，通过进一步引入初始振幅和偏振分布，构造主瓣强度和偏振态可调的自加速光束。继而研究确制备以亚波长结构为基本单元的单层和多层全介质超构表面的关键工艺，制备出能进行振幅、相位和偏振联合调制的全介质超构表面，实现对光场波前的调控功能。在此基础上，实现基于全介质超构表面、轨迹和主瓣强度均可控的非凸轨迹自加速光束的高效产生。最后作为项目研究拓展，利用自加速光束的自愈性（体现为其弯曲传输轨迹特点），完成自加速光束在图像信息与高速多通道复用光信息传输的绕障实验演示。所获得的相应研究结果将为开展新型空间光束产生（及光场调控）与信息传输应用提供重要指导。在本项目支持下，相关研究结果发表重要期刊论文15篇、光学与光学工程领域知名国际学术会议论文8篇，申请国家发明专利5项（其中现已获得授权3项）。综上，本项目顺利完成申请书所设定的研究任务与目标。