沿任意轨迹可控偏振的结构光束

结构光是指在空间和时间上“定制”的光场，其特征是在空间和时间上具有独特的幅度、相位和偏振状态分布。

偏振在结构光束中起着至关重要的作用。除了在单个横向平面上进行偏振控制外，控制纵向结构光束沿传播方向的偏振也是一个重要维度。

目前的研究主要集中在控制光束沿光轴方向的偏振，但这极大地限制了纵向结构光束偏振的空间自由度。

是否有可能摆脱光轴的限制，在空间中任意传输轨迹上操纵偏振，值得探索。这可能导致产生偏振沿任意轨迹变化的结构化光束，为创建定制的空间结构光开辟新的可能性。

在《光电科学》杂志发表的一项研究中，研究人员使用三层金属超表面生成沿任意空间轨迹具有偏振变化的结构化光束。

为了实现这些定制化的空间结构光，该工作首先在输入平面上设计了一个相位调制函数，由一系列中心可移动的扩展圆环组成，由这些移动圆环发射出的锥形光束在输入平面上汇聚形成传播的轨迹曲线。

其次,通过控制移动圆环对应的正交偏振光束分量的幅度和相位差,可以实现预定传输轨迹上各点的偏振控制。

他们按照预先设定的螺旋传输轨迹，设计了偏振光从15°到75°的结构光在庞加莱球上沿赤道线连续变化，以及偏振光从15°到圆偏振再到75°的结构光在北半球赤道上连续变化。

利用太赫兹焦平面成像系统获得了不同传输距离z处电场分量Ex和Ey的强度、幅度和相位差。在超表面调制下，出现了高亮度主瓣，其周围有多个旁瓣，光场整体强度分布近似于零阶贝塞尔函数。

观察不同传输距离z下光场的强度分布，发现光束主瓣在5毫米至15毫米的连续范围内逆时针旋转，Ix逐渐减小，Iy逐渐增大。

所不同的是，在5~15mm范围内，两束结构光之间的Ex和Ey的相位差分别从0逐渐变化至-π，与合成后的偏振态相对应，这与理论模拟的一致。

纵向变化偏振的任意轨迹结构光束的提出，为连续调控非轴向传输的空间结构光束特性提供了一种实用方法，为创建定制的空间结构光束开辟了新的可能性。该技术在光学加密、粒子操控和生物医学成像方面具有潜在应用。

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