微納光電子學(xué)研究院副教授謝振威、歐洲科學(xué)院院士袁小聰教授團(tuán)隊(duì)與湖南大學(xué)胡躍強(qiáng)教授、段輝高教授團(tuán)隊(duì)合作，利用介電超表面器件對(duì)光場(chǎng)徑向動(dòng)量進(jìn)行精細(xì)調(diào)控，首次成功實(shí)現(xiàn)了兼具超寬譜響應(yīng)、消色差特性和無(wú)衍射傳播能力的“完美渦旋光束”（Achromatic, Non-diffracting Perfect Vortex Beam, ANPVB）。該工作突破了傳統(tǒng)光學(xué)渦旋長(zhǎng)期面臨的三大核心瓶頸：光束直徑依賴(lài)于拓?fù)浜伞⒉ㄩL(zhǎng)相關(guān)的色散效應(yīng)，以及在長(zhǎng)距離傳播過(guò)程中因衍射導(dǎo)致的光束擴(kuò)散。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出基于介電超表面的徑向動(dòng)量調(diào)控策略，不僅有效克服了上述限制，還為結(jié)構(gòu)化光技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用開(kāi)辟了新路徑。相關(guān)研究成果以“Ultrabroadband, achromatic, and non-diffracting perfect optical vortex generation via radial momentum control in dielectric metasurfaces”為題，發(fā)表于《Nature》旗下綜合性頂級(jí)期刊Nature Communications。

圖1 基于超表面徑向動(dòng)量調(diào)控實(shí)現(xiàn)的超寬譜、無(wú)色散、無(wú)衍射的完美渦旋光束。

光學(xué)渦旋——攜帶“光之螺旋”的特殊光束——在光操控、光通信和成像等前沿技術(shù)中具有關(guān)鍵作用。然而，其實(shí)際應(yīng)用長(zhǎng)期受限于一個(gè)根本性難題：光束的尺寸和發(fā)散特性會(huì)隨其拓?fù)浜桑础芭で潭取保┖筒ㄩL(zhǎng)（顏色）發(fā)生不可控變化，導(dǎo)致難以構(gòu)建穩(wěn)定、可擴(kuò)展的光學(xué)系統(tǒng)。針對(duì)這一挑戰(zhàn)，本研究提出并實(shí)現(xiàn)了一種突破性方案：通過(guò)精密設(shè)計(jì)的介電超表面調(diào)控光場(chǎng)的徑向動(dòng)量，成功生成一類(lèi)新型“消色差無(wú)衍射完美渦旋光束”（Achromatic Non-diffracting Perfect Vortex Beams, ANPVBs）。這類(lèi)光束在可見(jiàn)光全波段（450–780 nm）內(nèi)，無(wú)論拓?fù)浜苫虿ㄩL(zhǎng)如何變化，均能保持近乎恒定的直徑，并在長(zhǎng)距離傳播中幾乎不發(fā)生衍射擴(kuò)散。該成果首次實(shí)現(xiàn)了光束尺寸與傳統(tǒng)限制因素（拓?fù)浜珊筒ㄩL(zhǎng)）的有效解耦，為高容量光通信、量子信息處理及先進(jìn)成像等應(yīng)用提供了高度穩(wěn)定且靈活可控的新一代結(jié)構(gòu)光平臺(tái)。

深圳大學(xué)博士后夏天（現(xiàn)為山東師范大學(xué)副研究員）與副教授謝振威為共同第一作者，深圳大學(xué)副教授謝振威、教授袁小聰和湖南大學(xué)教授胡躍強(qiáng)為論文的共同通訊作者，深圳大學(xué)是第一單位和第一通訊單位。論文其他作者還有深圳大學(xué)助理教授張強(qiáng)、碩士生肖文淳，湖南師范大學(xué)副教授楊輝、湖南大學(xué)教授段輝高及山東師范大學(xué)教授蔡陽(yáng)健。該研究得到了廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、深圳市科創(chuàng)委、深圳大學(xué)2035項(xiàng)目的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-66609-8