光的衍射是自然界中普遍存在的现象，波在传播时会扩散。光束在传播过程中的这种扩散限制了能量和信息的有效传输。因此，科学家们努力抑制衍射效应，以更好地保持光束的形状和方向。
过去几十年来，在控制光结构方面取得了重大突破。例如，1979年，贝里和同事预测了一种称为艾里光束(AB)的特殊光束，它表现出自加速和自弯曲而无衍射。1987年，J. Durnin实现了贝塞尔光束(BB)，这是一种可以抑制衍射的波动方程的特殊解。这些发现极大地推进了基础光学和应用。
然而，用于调制非衍射光场的设备通常体积庞大并且具有诸如低分辨率和难以对相位分布进行编码等限制。超表面的发展带来了新的变化，利用纳米级天线阵列的精确排列使光学器件小型化，并通过其双折射实现光场的多维控制。该技术被认为是开发下一代光子集成平台的关键推动因素。
最近，我们的团队在这方面取得了进展。我们成功地沿传播路径重建了非衍射光场，观察到圆形艾里光束(CAB)在传播一段距离后自然转变为BB。
这项研究是通过我们提出的联合局部全局相位控制机制实现的，使我们不仅能够调制径向相位梯度，而且还能促进更复杂的非衍射光场的编码。该工作发表在《激光与光子学评论》杂志上。
图 2. 分别由局部相位和全局相位调制的 CAB 的图示。a、c、e、g为光线配置示意图，b、d、f、h为对应的效果图。比例尺，10 μm。图片来源：激光与光子学评论(2024)。DOI: 10.1002/lpor.202301372
我们将二维问题分解为一维相位函数的积分和二维相位函数的叠加，如图 1b 所示。我们利用理论分析和光线追踪技术形象地阐释了这一过程，将其称为光域的“变形金刚”，如图2所示。
超表面调制后，散射光会聚成清晰的 AB，重叠形成非衍射 BB。此外，通过利用三重双折射纳米天线的潜力，我们引入了构建光场的新技术，将光场类型的数量增加了一倍，达到六种(图 3)。最后，我们展示了我们的设备对制造缺陷的高容忍度(图 4)。
图 3. 样品和纳米光子场的实验表征。a) 用于观察不同偏振通道中的 CAB 的光学装置。LP表示线偏振片，QWP表示四分之一波片，O表示NA=0.4的物镜。b，c)顶视图和底视图分别展示了 AFCA 和 ADCA 样品的光学显微镜(比例尺，20 μm)和 SEM(比例尺，5 μm)表征。d、e、f)用于生成 AFCA、涡旋 AFCA 和螺旋 AFCA 的三功能超表面的模拟和实验结果。而 co-CP 则由于琼斯矩阵中对角线元素相等而产生相同的结果。g，h)不同横向平面上 AFCA 的 FWHM 结果的模拟和实验测量。图片来源：激光与光子学评论(2024)。DOI: 10.1002/lpor.202301372
图 4. 有缺陷超表面的样品表征和实验测量，从上到下显示：环形、线性和区域缺陷。a、c、e) 三种缺陷的SEM及其部分放大倍率，分别为左侧比例尺，20μm，右侧比例尺，5μm。b、d、f) 三个通道内沿光路不同横截面的横向分布。图片来源：激光与光子学评论(2024)。DOI: 10.1002/lpor.202301372
综上所述，这项研究不仅代表了使用非衍射光和增强超表面多功能性的关键一步，而且为先进片上、纳米光学平台和创新制造技术的进步奠定了坚实的基础。这对光学领域的发展具有重要意义，将光学器件的性能和功能推向新的高度。
