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研究作者及机构
本研究的作者包括Changke Bu、Wen Xing、Wenjing Yue、Yang Li、Guiqiang Du、Cong Wang和Song Gao。他们分别来自济南大学信息科学与工程学院、山东大学集成电路学院、山东大学空间科学与物理学院以及哈尔滨工业大学电子与信息工程学院。研究于2025年3月15日发表在《Optics Letters》期刊上，题为“Moiré Metasurface for Dynamically Tuned Vector Beams”。
学术背景
矢量光束（Vector Beam, VB）是一种在横截面上具有非均匀偏振态分布的光束，在光子学领域具有广泛的应用前景，例如光学粒子操控、高分辨率成像和量子光学等。然而，传统的生成和操控VB的方法通常依赖于多个笨重的光学元件，效率较低且难以满足现代集成光学应用的需求。近年来，超表面（metasurface）技术为VB的操控提供了新的可能性，但大多数研究缺乏对VB偏振阶数的动态控制。因此，本研究旨在提出一种基于莫尔效应（Moiré effect）的通用方法，通过硅基莫尔超表面在可见光波段实现VB偏振阶数的动态调控。
研究流程
1. 理论基础与设计
研究首先利用莫尔效应的连续相位可调性，通过旋转超表面来调控聚焦涡旋光束的拓扑电荷。此外，设计中引入了几何相位（geometric phase），使得在正交圆偏振入射下生成携带相反拓扑电荷的涡旋光束。在线性偏振入射下，这些涡旋光束的叠加最终生成VB，其偏振阶数通过旋转莫尔超表面实现动态调控。
研究中提出了详细的数学模型，解释了如何通过莫尔效应动态控制涡旋光束的拓扑电荷，并推导了VB生成的理论公式。例如，VB的初始偏振角由入射光的偏振角决定，而拓扑电荷的变化则通过旋转超表面实现。
超表面设计与仿真
研究设计了一种基于氢化非晶硅（a-Si:H）的莫尔超表面，其工作波长为690 nm。超表面由两层矩形纳米结构组成，每层包含60×60个纳米半波片（half-wave plate, HWP），总面积为14.4µm×14.4µm。通过有限时域差分法（finite-difference time-domain, FDTD）对超表面进行数值仿真，验证其功能。
仿真结果表明，在左旋圆偏振（LCP）和右旋圆偏振（RCP）入射下，超表面能够生成携带相反拓扑电荷的涡旋光束，且拓扑电荷随旋转角的变化而线性变化。例如，当旋转角差∆α从0°增加到80°时，拓扑电荷从1增加到4。
VB生成与动态调控
在线性偏振入射下，超表面能够生成偏振阶数可调的VB。仿真结果显示，随着∆α的变化，VB的偏振阶数从1增加到4，且传输效率稳定在75%左右。研究还观察到，生成的VB在强度分布上存在一定的不对称性，这主要源于纳米结构的非理想特性。
主要结果
1. 涡旋光束的生成与调控
在LCP和RCP入射下，超表面成功生成了携带相反拓扑电荷的涡旋光束。仿真结果表明，拓扑电荷随旋转角的变化而线性变化，与理论预期一致。例如，当∆α=20°时，拓扑电荷为1；当∆α=80°时，拓扑电荷为4。
结论
本研究提出了一种基于莫尔效应的通用方法，通过硅基莫尔超表面实现了VB偏振阶数的动态调控。研究不仅验证了理论的可行性，还通过数值仿真展示了超表面的功能。该方法为可重构功能的光学器件设计提供了新的思路，具有在光学通信、粒子操控和高分辨率成像等领域的应用潜力。
研究亮点
1. 创新性方法
本研究首次利用莫尔效应实现了VB偏振阶数的动态调控，为超表面技术提供了新的应用方向。
2. 高效性与实用性
设计的莫尔超表面在可见光波段具有高传输效率（约75%），且通过简单的旋转即可实现VB的动态调控。
3. 理论与实验的高度一致
数值仿真结果与理论预期高度一致，验证了方法的可行性和有效性。
其他有价值内容
研究还讨论了超表面在实际应用中可能面临的问题，例如纳米结构的非理想特性和旋转驱动的精度要求，并提出了改进方向，例如通过设计自旋解耦超表面进一步提高效率。
以上是本研究的详细报告，展示了其在超表面技术和光学操控领域的重要贡献。