渦旋光束在眾多領域具有重要應用，但傳統光學器件產生渦旋光束的方式限制了其在集成系統中的應用。超表面的出現為渦旋光束的產生帶來了新的可能性，尤其是在非線性領域，盡管近些年來已經有一些研究，但仍存在諸多問題，如軌道角動量產生方式較為定性，缺乏對設計與實驗結果差異的深入探討。最近，來自法國巴黎西岱大學以及法國國家科學研究中心的Giuseppe Leo等研究人員概述了光學渦旋以及超表面對于二次諧波（SH）渦旋產生的優勢以及特點等。針對前期的問題，提出了一種非線性超表面平臺，能夠產生具有大跨度拓撲荷（1到10）的高純度SH渦旋光束，且實驗特征與理論高度吻合。另外還通過對實驗數據和半解析計算模型的比較，深入解釋了鬼渦旋（ghost vortices）出現的原理。

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結構光是指具有特殊相位或偏振結構的光場，在物理和生命科學等領域中發揮著日益重要的作用。光學渦旋是最具有代表性的結構光，主要特征是具有螺旋波前。在垂直于傳播方向的平面內，渦旋光束的相位會圍繞中心奇點在0到2π之間變化m次，其中m稱為拓撲荷，用于量化螺旋波前的數量以及方向。這種特殊的相位結構與軌道角動量（OAM）相關，這為光鑷、計量學、光通信和量子光學等領域提供了額外的自由度。此外，沿著傳播方向的相位奇點處強度為零。這種典型的環形形狀也是受激發射損耗顯微鏡的關鍵要素。

目前，產生光學渦旋的技術有很多，但大多依賴于空間相干光束與宏觀光學元件（如柱面透鏡、空間光調制器和相位板）的相互作用，或者依賴于聚焦激光束中出現的自旋軌道耦合效應。

超表面因其緊湊的尺寸、輕重量以及與半導體制造技術的兼容性方面的優勢，能夠將結構光集成到先進集成光子系統中。超表面可以使用幾何（PB）相位、導向或共振相位（惠更斯）方法來定制入射光的波前。在PB方法中，通過旋轉每個納米結構來調制相位，導向和共振相位方法通過改變每個納米結構的形狀或大小來調整垂直引導模式的有效折射率并激發電偶極子和磁偶極子。重要的是，在導向方法中，實現0-2π的相位變化需要的納米柱結構的縱橫比相對另外兩種方法更高，這對低成本和大規模制造提出了更大的技術挑戰。

惠更斯原理和PB原理在非線性領域也有一定的應用，如高次諧波產生、諧波光束整形以及諧波處的非線性渦旋光束產生。目前，在二次諧波處觀察到的渦旋大多由等離子體超表面產生的，但是既沒有對其模態純度進行分析，也沒有與預期模擬進行定量比較。在三次諧波處產生的渦旋則是由具有大禁帶寬度的成熟半導體材料設計的介質超表面獲得，盡管場限制較弱，但由于在可見光和近紅外范圍內具有更高的非線性、更低的損耗和高損傷閾值，所以相對于等離子體平臺是有優勢的，但是三次諧波渦旋的純度及其相對于設計的實驗偏差相關研究較少。

作者使用的非線性超表面由[100]晶向的諧振器單元在AlOx襯底上周期性排列組成。首先，AlGaAs合金（n>3）和氧化鋁（n=1.6）之間的高折射率差使得基頻（FF，λ=1550nm）和二次諧波（SH，λ=775nm）實現光共振，并實現電磁場的緊密束縛。其次，選擇諧振器單元的幾何形狀以確保垂直于表面的定向SH發射。作者對之前常用的諧振器單元形狀進行了關鍵性的修改，即考慮半橢圓圓柱體（圖1a）。作者通過仿真得到在正常泵浦入射下，該結構在諧振器單元內（圖1b）以及在軸向上有明顯的場強束縛和SH發射波瓣（圖1c）。此外，圖1d中的圖譜顯示，通過改變諧振器單元的長半軸a和短半軸b，可以在很大程度上調節軸上SH遠場的相位和振幅。最后，將所需相位與圖1d中的分布進行對比，選擇最匹配的諧振器單元。作者根據需要提取了部分參數的諧振器單元如圖1e所示。?

圖1? 非線性超表面的設計?

首先考慮拓撲荷m=10的渦旋光束的器件。使用了圖1e中的172種不同類型的諧振器單元來實現所需的相位分布。制備的超表面的掃描電子顯微照片如圖2a所示。作者將來自器件的SH光束在廣義馬赫曾德爾中與參考光束干涉，圖 2b中所示的叉狀干涉圖案在其中心具有位錯，揭示了與螺旋相位分布相關的相位奇點。作者還使用一個復合源陣列與一個略微傾斜的高斯光束干涉模擬了實驗中的叉狀圖案。其中，m=10可以通過實驗干涉圖案中圍繞位錯的亮條紋數量直接讀取。圖2c顯示了SH渦旋在傅里葉平面中的強度分布，該圖案呈現出項鏈形狀，且有20個極大點，這是因為存在一個拓撲荷m'=–10的鬼渦旋。為了驗證上述鬼渦旋的推測，作者通過純度測量來證實，在純度譜（圖2d）中，確認了存在荷為m'=–10的鬼渦旋，其貢獻接近2%。?

?圖2???m=10的SH渦旋光束表征

上述m=10的所有結果可以推廣到具有其他拓撲荷的SH渦旋光束產生的非線性超表面。作者給出了拓撲荷從1到5的渦旋光束的超表面實驗（圖3a~c）和模擬（圖3b~d）結果。對于所有的值，結果均表明存在一個拓撲荷為–m的鬼渦旋。在不同m的情況下，鬼渦旋的存在都通過模態分解分析得到了證實（圖4）。作者通過實驗結果與半解析模型的對比，分析解釋了鬼渦旋的成因是不同諧振器單元幾何形狀的SH產生效率之間的微小差異。?

圖3? 不同拓撲荷的SH渦旋光束產生?

圖4? 模式純度分析?

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本文中，作者成功產生拓撲荷為1-10的SH渦旋光束，實驗與模擬高度吻合。并發現了鬼渦旋現象，通過系統分析確定其原因為不同諧振器單元幾何形狀的SH產生效率存在微小的差異，而非制造缺陷。另外還證實了所有SH渦旋光束為標量且線性偏振，且SH產生效率較以往的研究有顯著提高。

本研究在非線性結構光產生和操控方面有重要意義，在光通信和全息成像等領域有潛在應用。將來可以進一步優化制備工藝，提高共振品質因數，可進一步提高諧波場產生效率，拓展相關研究和應用前景。

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Coudrat, L., Boulliard, G., Gérard, JM.?et al.?Unravelling the nonlinear generation of designer vortices with dielectric metasurfaces.?Light Sci Appl?14, 51 (2025).

https://doi.org/10.1038/s41377-025-01741-0