MetronLens 在超构表面偏振检测中的应用
利用超构透镜检测系统对超构表面的偏振特性进行分析检测
【概述】超构表面是一种二维的平面超分子结构，通过改变结构单元的形状、尺寸和排列方式，在亚波长尺度下从光场、相位和偏振等维度对光进行调控。与传统的衍射型光学器件相比，超构表面不仅尺寸小、厚度薄、重量轻，还可以与微流控芯片等实验系统进行集成，控制微观粒子的移动和旋转，增加可调控的自由度。
图1，基于超构表面的“光镊”的示意图，左旋圆偏振光(LCP)和右旋圆偏振光照射到超构表面时，可以产生两种不同的光场。
2022年2月，中国科学院西安光学精密机械研究所在美国光学学会《光学快报(Optics Letters)》上发表了一篇题为《Experimental demonstration of optical trapping and manipulation with multifunctional metasurface》的文章，提出了一种用单片超构表面结构对具有自旋依赖性的微观粒子进行捕获、移动和旋转等操作的方法。该文章的共同第一作者为李星仪博士和周源博士，共同通讯作者为王国玺研究员和姚保利研究员。
图2，超构表面的实验表征。(a)光学照片和扫描电子显微镜照片；(b)测量透射光强度和拓扑电荷的光路示意图；(c)、(d)LCP和RCP的光场强度曲线，虚线表示焦平面。
【样品 ＆ 测试】为研究金属和电介质在亚波长的局部共振效应，作者设计了一种基于传输相位和 PB(Pancharatnam-Berry) 相位的全介质超表面，通过改变入射圆偏振光的手性，借助光梯度力、轨道角动量（OAM）和正交自旋轨道角动量（SAM），对微观粒子进行光学捕获和操纵。
超构表面将左旋圆偏振光（LCP）转换为聚焦的右旋圆偏振（RCP）高斯光束，光束在聚焦点处会产生一个非常强的电场梯度，通过光梯度力将样品粒子吸引到焦点的中心。由于动量守恒，光束还会对粒子施加散射力，导致粒子沿光束方向移动。当光梯度力大于散射力时，就可以稳定地捕获到粒子。同理，超构表面可以将RCP转换为聚焦的环形 LCP，通过调控样品粒子的 OAM 和 SAM 使其产生旋转。
图3，用高斯光束或轨道角动量(OAM)光束对SiO2颗粒和CaCO3颗粒进行捕获、移动、旋转操作，并令其产生自旋。
【总结】基于传输相位和 PB 相位调控的超构表面可以改变入射光的偏振状态和相位信息，进而将不同的相位分布加载到正交的圆偏振光束上，产生了偏振依赖的聚焦光束和涡旋光束。通过光束与微观粒子的相互作用，使其产生不同状态的运动，进而对其进行操纵，以平面的形式实现芯片级的动态“光镊”。▌
【参考文献】
✽ Li, X.; Zhou, Y.; Ge, S.; Wang, G.; Li, S.; Liu, Z.; Li, X.; Zhao, W.; Yao, B.; Zhang, W., Experimental demonstration of optical trapping and manipulation with multifunctional metasurface. Optics Letters. (2022, 47 (4), 977-980).
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