广义光学扳手赋能任意光路，实现多任务光学操控！

物理图像：从甜甜圈形状到任意多边形轨迹的复振幅调制

实现任意形状的光学扳手需要对光学涡旋的相位和振幅进行联合调制。传统的甜甜圈形涡旋具有均匀的方位角相位梯度，其强度最大值局限在固定半径的圆上。

要实现多边形轨迹，必须设计一种非均匀的相位分布，使得强度最大值遵循预设的闭合轮廓，同时保持沿该轮廓的相位梯度均匀。后一个条件对于粒子的平滑运动至关重要：如果相位梯度发生变化，粒子可能会被困在强度梯度较大的区域，从而打断连续旋转。

我们的团队开发了一种基于等弧长采样的相位设计方法，确保相位沿轮廓的弧长坐标线性变化。这保证了在整个闭合路径上相位梯度恒定，从而使粒子能够感受到均匀的相位梯度力，防止因局部强度梯度占主导而导致运动停滞。

为了进一步引入纵向光场演化，团队采用了"冻结波"方法，该方法能够构建沿传播轴具有预设纵向强度分布的光场。图1展示了整体设计框架：

□ 图(a) 显示了具有圆形轨迹的传统光学扳手

□ 图(b) 描绘了任意多边形轨迹的概念

□ 图(c) 呈现了结合偏振复用和纵向演化的广义光学超构扳手集成架构

□ 图(d) 阐释了基于贝塞尔光束叠加的理论实现方式

基于琼斯矩阵超构光学的多通道超表面设计

为了在紧凑平台上实现如此复杂的光场，团队设计了一种由各向同性/各向异性非晶硅纳米柱组成的超表面。通过独立控制纳米柱的长度、宽度和面内旋转角来定制琼斯矩阵，实现了对共极化和交叉极化分量的相位延迟和转换效率的精确操控。

图2展示了超表面设计流程与实验表征。

图2.超构扳手设计与样品表征

图(a) 展示了设计流程图：将傅里叶空间中目标光场的复振幅分布进行采样并映射到笛卡尔网格上；然后，将对应于不同偏振转换模式的两种纳米柱单元在空间上交叠排布，形成完整的超表面。图(b) 显示了具有不同几何参数纳米柱的圆偏振转换效率模拟结果，而图(c) 和 (d) 则展示了所选两组纳米柱的转换效率和相位延迟。

图(e) 是所制备超表面的光学显微照片，图(f) 和 (g) 分别显示了俯视和侧视扫描电子显微镜图像，揭示了轮廓清晰的纳米柱阵列。

该超表面的一个关键特性是能够同时编码三个独立的偏振通道。利用琼斯矩阵的幺正性，交叉偏振通道（左旋到右旋，反之亦然）和一个共偏振通道（左旋到左旋或右旋到右旋）可以在同一器件上共存而无串扰。

只需切换输入和输出偏振态，该器件即可在三种不同模式下运行，有效地用一个单一元件取代多个分立的常规光学元件。