Cover：高效产生偏振无关的艾里光束，加速艾里光束的集成化应用

来源：中国激光

Airy beam，即艾里光束，因其独特的传播特性而在光学领域占有一席之地：它具有保型自愈的特性，就算遇到障碍物，也会自己恢复原形。可想而知，这种对外界干扰能“应付自如”的自我修复能力在很多应用中会有特殊的优势，例如成像和显微镜、材料加工以及光学操控微小粒子。

当一束光穿过高浓度的细胞悬浮液时，正常情况下大量的光会被散射，而艾里光束凭借其自愈能力在穿过这类物质时依旧可以保持形状，利用这种特殊的光可以实现高精度观测隐藏在浑浊介质中的目标。

如何产生这样特殊的艾里光，不仅局限于基础科学——两百年前数学家George Biddell Airy爵士初次提出相关理论，至今，其技术发展和相关应用的吸引力依旧不减：光学领域的专家们致力于通过研发新的方式提高产生艾里光的效率。

上海理工大学庄松林院士、顾敏院士领导的“未来光学”实验室的张大伟教授、文静副教授课题组利用特殊设计的超表面——包含一层基于不同应用排列不一的亚波长微结构的表面，来高效地产生艾里光束。张大伟教授、文静副教授为通讯作者，余彬彬博士生为第一作者，合作作者还包括香港城市大学的雷党愿副教授课题组。

这一工作发表在Photonics Research 2020年第7期，并被选为封面文章。

杨兰主编 华盛顿大学

衍射是光的基本特性。由于衍射，光束在传输过程中光斑逐渐增大，能量也逐渐分散。为了实现高能量光束的远距离传输，光的无衍射特性成为研究人员追逐的热点。

在众多无衍射光束中，艾里光束因其具有自加速、自愈合和近乎无衍射的优异特性，引起了人们极大的研究兴趣。艾里光束应用广泛，在生物医学中，艾里光束使光镊得以绕过障碍物将细胞体或药物粒子等输送到目标区域；在激光长距离传输中，艾里光束能量会自动向中心会聚，实现对发散的抑制等。

目前，空间光调制器、表面等离子体和介电质超表面等方法都可以产生艾里光束，但同步调控振幅和相位的方法限制了艾里光束的生成效率，同时目前多数实验用于生成艾里光束的超表面是偏振敏感的。此外，目前的生成方法还面临光路不紧凑、成本高等缺点。高效地生成具有偏振无关特性的艾里光束依然存在一定的挑战。

上海理工大学庄松林院士、顾敏院士领导的“未来光学”实验室的张大伟教授、文静副教授课题组提出了利用偏振无关的介电质超表面高效率产生艾里光束的方法。这一工作发表在Photonics Research 2020年第7期。

示意图：高效产生艾里光束的偏振无关介电质超表面

研究人员采用3/2纯相位调控方法代替同步控制振幅和相位的方法，将调控后的相位分布加载到传输型超表面结构单元中。实验表明，经过设计的超表面后，出射的艾里光束的光场分布不随入射光偏振态的变化而变化。随后，研究人员对实验所得的光场分布进行三维重建，所形成的光束在一定传输范围内具有无衍射特性，传播路径近似于艾里函数包络线；传播路径经障碍物破坏后可以迅速复原。

理论和实验表明，相比于传统方法，该方法实现了主瓣半高全宽小、弯曲系数高的艾里光束的生成；同时实现了器件小型化的目的，满足了基于艾里光束在激光加工、成像、粒子搬运等领域的集成化应用。

本文研究团队认为，这一方案将为艾里光束在红外传感、大气光学、荧光成像以及激光制造等领域的应用发挥重要作用。未来的研究将会集中在对艾里光束内在特性参数进行定量的调控，以使艾里光束能够更方便应用在各种不同的和某种特定的场景。