焦散现象普遍存在于多种波域中，包括光波、异常波和引力波等。在光学领域，焦散以光与平滑曲面相互作用而产生的明亮焦斑或线条的形式出现。这些现象普遍存在于日常生活中，如玻璃杯折射出的亮线、水面下波纹结构形成的光网等。焦散在光学捕获、材料加工、高分辨率显微镜和通信技术等领域有着广泛应用。然而，这些应用受限于一个难题：在传输轨迹和平面强度分布方面对焦散场进行精确调控。尽管在单一维度上已经成功实现了焦散的定制化，但在自由空间上设计任意焦散结构仍是一个挑战。

  得益于纳米制造技术的进步，亚波长纳米结构使得同时调制入射光波的振幅和相位成为可能。超表面可在更紧凑的空间中调控光场，给焦散工程带来了更多潜在的应用。3D 打印纳米柱可视为具有亚微米横向尺寸和数微米高度的截断波导。各向异性的纳米柱构成了一个丰富的三维微纳结构库。可以基于Pancharatnam-Berry相位调控入射光的相位，且通过改变纳米柱的高度调控振幅。这种独特的组合使得复振幅 3D 打印超表面成为空间焦散工程的理想平台。

  近日，来自浙江大学物理学院赵道木教授、新加坡国立大学Cheng-Wei Qiu教授和新加坡科技设计大学Joel K. W. Yang教授的研究团队，借助双光子聚合光刻技术制备了复振幅3D 打印超表面，进而实现了任意光学焦散。在这项工作中，研究团队使用 3D 打印超表面无透镜重构多功能的焦散结构光场（图1(a)）。焦散可以沿着曲线轨迹（图1c）传输，而不局限于沿着直线轨迹（图1b）传输。此外，这些焦散可以在不同传输距离上展示出多种强度分布（图1d）。

图1 基于 3D 打印超表面的任意空间焦散工程原理。a 由超表面产生的定制化光学焦散的示意图。b(i)-d(i) 傅里叶空间中焦散光束的振幅和相位信息，以及一个傅里叶变换透镜。 b(ii)-d(ii) 焦散结构光在实空间中的传输动力学。

  构成超表面的超原子是由IP-L光刻胶（在可见光波段的折射率约为1.52）制成的矩形纳米柱。通过改变每个纳米柱的高度和平面内旋转角度，可实现对透射交叉圆偏振光的振幅和相位的独立调控（图2a）。研究团队基于双光子聚合原理制备了此超表面（图2b,c），并在自制光学系统中进行表征（图2d）。其中，具有抛物线轨迹的三角肌形焦散光束的研究结果如图3所示。

图2 a超原子的示意图。参数 W、L、H和 θ分别表示聚合物纳米柱的宽度、长度、高度和平面旋转角度。LCP 和 RCP 分别指左旋和右旋圆偏振光。高度（H）和平面旋转（θ）使得传输光的振幅和相位能够被独立调控。b, c对应图1c,d的超表面的扫描电子显微镜（SEM）图像，以及其俯视和侧视放大图。d 表征光学焦散的实验装置示意图。 LP，线偏振器； QWP，四分之一波片；MO，显微镜物镜；CMOS，互补金属氧化物半导体。

图3 具有抛物线轨迹的三角肌形焦散光束的设计和表征。a横向平面上光学焦散路径的示意图。b补偿相位及其组成部分和(b1)，以及它们的相位函数(b2)。c傅里叶空间的振幅和相位分布。点表示移动的圆心。d在传输范围内模拟的强度体积。e分别在、和处的射线横向投影（蓝色）和焦散（红色）。f 在传输距离、、、、和的光强模拟结果。g相应的实验结果。

  研究团队应用快速成型和经济高效的双光子聚合光刻技术制备了复振幅3D打印超表面，实现了任意定制化的空间焦散，极大地拓展了焦散光的有限范围。在粒子操纵、光通信、光学成像、纳米制造和材料加工等领域有潜在应用前景。

  相关研究成果于5月2日发表在Nature Communications上，题为“Arbitrary engineering of spatial caustics with 3D-printed metasurfaces”。论文第一作者为浙江大学物理学院周小燕博士生，通讯作者为赵道木教授、Cheng-Wei Qiu教授、Joel K. W. Yang教授和王洪涛博士。论文其他作者还有刘书悉博士生、王浩博士、John You En Chan博士和潘乘风博士生。

论文信息

Xiaoyan Zhou, Hongtao Wang*, Shuxi Liu, Hao Wang, John You En Chan, Cheng-Feng Pan, Daomu Zhao*, Joel K. W. Yang*, Cheng-Wei Qiu*, Arbitrary engineering of spatial caustics with 3D-printed metasurfaces, Nature Communications 15, 3719 (2024).

https://www.nature.com/articles/s41467-024-48026-5