艾里光束因其獨特的性質（例如無衍射、自加速和自修復）而引發了廣泛的研究興趣。自被發現以來，人們對可調諧艾里光束的需求不斷增加，相關研究一直在有序推進，其中包括光學操控和激光加工。光鑷通常由緊聚焦的高斯光束實現，以產生光學梯度力，該力被用于將粒子限制在幾微米的有限范圍內，這主要是由于瑞利長度相對較短。相比之下，艾里光束通過對其傳播軌跡的精確控制，能夠沿著指定路徑對空氣或液體中的粒子進行光學操縱，并具備穿越障礙物的能力。這些光束還可以促進滿足所需曲率的表面的加工，以增強激光制造的適應性。
產生艾里光束的方法一般涉及復雜且昂貴的光學器件，如復雜的光學透鏡系統和空間光調制器（SLM）。這些技術提供了實現可調諧艾里光束的途徑。通過調整柱面望遠鏡系統的傾斜角度，復雜的光學透鏡系統能夠生成可調諧艾里光束；SLM通過執行像素級相位變化來生成可調諧艾里光束。盡管這些方法在實現對艾里光束的一定程度控制方面具有優勢，但每種方法都有相應的不足。復雜的光學裝置在實現精確對準時難免會遇到困難；SLM則面臨著轉換效率低、分辨率有限以及與入射偏振和功率相關的限制等問題。由于采用了笨重的元件，這些技術也難以實現緊湊和集成的光學系統。
在這項工作中，香港城市大學的蔡定平教授和哈爾濱工業大學（深圳）的肖淑敏教授聯合提出了一種新方法，利用雙層全介質超構器件生成可調諧的艾里光束。該方法通過整合和旋轉多種精心設計的相位面實現，包括立方相位和兩個離軸菲涅爾透鏡相位面。通過旋轉這兩個超表面來動態地操縱艾里光束的軌跡，詳見圖1。實驗結果與理論預測的艾里光束的強度分布和傳播軌跡高度吻合，驗證了這一超構器件的可行性和靈活性。
圖1用于生成可調式艾里光束的電介質超構器件的示意圖。
圖2 超構器件的表征。 (a)納米天線的光學特性。 當直徑從 50 nm 變化到 113 nm 時，該相位可以包含完整的 2π 周期，所有選定的納米天線的效率都超過 90%。 插圖是納米天線的示意圖。 (b, e) 第一片 (b)和第二片(e)超表面的相位分布。（c，f）分別根據（b）和（e）中的相位分布所加工的超表面的光學顯微鏡照片。 (d, g)所測量的超表面的相位分布。比例尺：200 μm。相位分布使用上海復享光學的MetronLens 進行測量。(h) 超構器件的掃描電子顯微鏡 (SEM) 圖像。 比例尺：100 μm。 (i) 超表面（藍色方塊）放大 SEM 圖像。比例尺：0.5 μm。
圖3超構器件的仿真和實驗結果。(a)當兩個超表面的旋轉角度均為零時，兩個超表面疊加時獲得的相位。(b)當旋轉角度設置為(a)時的仿真結果，(c)實驗結果。(d)當旋轉角度分別為-π/2和π/2時，兩個超表面疊加時獲得的相位。(e)旋轉角度設置為(d)時的仿真結果，(f)實驗結果。
圖4超構器件的實驗結果。(a)當改變超表面的旋轉角度時艾里光束的不同焦點分布。理論上可實現的區域標記在兩個虛線圓圈之間。(b)從圖4(a)中選擇的不同位置焦點的強度分布，并由相同顏色的方框表示。比例尺：20μm。
與傳統的透鏡組系統或空間光調制器相比，所展示的超構器件顯著減少了操作復雜性和體積厚度。同時，它可以輕松轉移到其他工作波段，而不受偏振或其他方面的限制。它具有小型化、易集成和易控制的優勢，能夠與其他光學設備兼容，在光鑷、激光加工等應用中具有巨大潛力。該工作以“Miniature tunable Airy beam optical meta-device”為題作為封面文章發表在Opto-Electronic Advances（光電進展）2024年第2期。
研究團隊簡介
肖淑敏，哈爾濱工業大學（深圳）教授，國家杰青，Optica Fellow。研究團隊主要從事微納光學和光電芯片的研究。 近年來在國際刊物和會議上發表相關的優秀原創論文140余篇，其中Nature 2 篇、Nature Materials等40余篇，合著專著一部，多篇文章單篇他引超過200次。
哈爾濱工業大學（深圳）肖淑敏教授課題組
蔡定平，香港城市大學電機工程學系講席教授，博士生導師，多年來致力于納米光子學及光電物理領域前沿的實驗與理論工作，積累了豐富的研究成果。在Science, Nature Nanotechnology, Physics Review Letters, Advanced Materials, Science Advances, Light: Science & Applications, Nature Communications, Nano Letters, Nano Energy等國際期刊發表論文共375篇、專書（或專書節章）及會議論文共65 篇、技術報告及其它論文共39篇、國內外（美國、加拿大、日本及德國）專利共45項（69個）。先后當選中國光學學會(COS)、美國科學促進會(AAAS)、美國物理學會(APS)、國際電子電機工程師學會(IEEE)、光學學會(Optica)、國際光電工程學會(SPIE)、電磁科學院(EMA)、日本應用物理學會(JSAP) 、和亞太人工智能學會(AAIA)的會士(Fellow)。也先后當選亞太材料科學院(APAM)院士、俄羅斯國際工程學院(IAE)院士和美國國家發明家科學院(NAI)院士。曾榮獲四十多項榮譽與獎勵，包括：2020年度和2018年度中國光學十大進展、2020年和2019年全球高被引科學家(Web of Science Group/ Clarivate Analytics)、2018年國際光電工程學會(SPIE)墨子獎，以及多屆國際學術會議最佳論文獎。迄今在國際會議作過340余次特邀報告（包含30 場全體會議和 62 場主題演講），是科學進展（Science Advances）的副編輯、光子學評論（Photonics Insights）及光：先進制造（Light: Advanced Manufacturing）的編輯，也擔任12個國際期刊的編輯委員，多項國際知名期刊的文章審稿人。
香港城市大學蔡定平教授課題組
相關論文
Zhang Z, Li GY, Liu YL et al. Robust measurement of orbital angular momentum of a partially coherent vortex beam under amplitude and phase perturbations. Opto-Electron Sci 3, 240001 (2024).
近日，我所能源催化轉化全國重點實驗室動力電池與系統研究部（DNL29）陳忠偉院士、毛治宇副研究員團隊，聯合西安交通大學馮江濤教授，在電池健康管理領域取得新進展。合作團隊開發了一種新型的深度學習模型，有......
2024年8月18日，一個平靜的周日上午，我正準備和學生進行學術談話交流，打開手機竟看到了周光召先生逝世的消息，點滴往事頓時浮現腦中，更多的是無限的悲痛與追思……周光召先生1929年出生于湖南長沙，他......
近日，浙江某高校教師在網絡上曝光由于其教授的3門課程學生不及格率高于30%，學校要求該老師就此作出解釋說明并提供整改方案。此事一經曝出，隨即引起各方的關注及爭論。在筆者看來，如果簡單地討論學校、學生和......
近日，廣東醫科大學與深圳市寶安區衛生健康局簽署合作共建廣東醫科大學附屬醫院集團深圳寶安中心醫院協議，并舉行揭牌儀式。廣東醫科大學黨委書記、校長盧景輝，深圳市寶安區副區長李宏濤等出席簽約揭牌儀式。廣東醫......
南方醫科大學公共衛生學院教授黃振烈團隊在一種腸道特異性對納米塑料高度敏感的腸道Nrf2（細胞氧化應激通路中最重要轉錄因子）特異性敲除小鼠中開展了一系列實驗研究，揭示了腸道與神經系統健康之間的直接關聯。......
8月21日，位于深汕特別合作區的小漠國際物流港，一艘汽車滾裝船緩緩靠港，將在裝載近2000輛國產新能源車后運往新加坡、越南、印尼等東南亞國家，像這樣整車出口的滾裝船已是小漠國際物流港今年第12艘次。新......
8月20日，“‘大寫的科學革命’研討會暨《科學思想史》出版座談會”在科學出版社召開。本次會議由中國自然辯證法研究會、中國科學技術史學會、華南師范大學、科學出版社主辦，來自科學界、科學史界和科學技術哲學......
近日，第五屆野生動物監測與保護學術研討會暨第二屆全國動物聲學科學與應用大會在北京舉行。鼎湖山國家級自然保護區（以下簡稱鼎湖山保護區）管理局副局長范宗驥出席大會并作專題報告，同時領取“自然保護地科研監測......
近日，以“自然生態綠色發展”為主題的中國生態學學會2024年全國生態日系列科普活動主會場活動在中國科學院華南植物園（以下簡稱華南植物園）舉行。會上，中國生態學學會第一屆生態科普教育基地聯盟啟動成立。本......
“在第四次工業革命和新工科建設背景下，要明確實施新一輪人才培養模式改革是新工科教育的核心問題，深刻理解跨學科、多學科和交叉學科的教育是新工科建設的內涵。”中國工程院院士、重慶大學教授周緒紅在中國鋼結構......