近日，我校测通学院仪器科学与技术学科朱智涵与南京大学副校长陆延青联合团队在基于软物质超构光子学的光场调控技术研究方面取得重要进展：围绕平面光学任意自旋-轨道耦合（SOC）互易接口的物理实现，开发出一种具备任意自旋共轭空间复振幅调控能力的液晶超结构几何相位元件，为开展基于光子SOC态编码的高维量子信息实验研究提供重要工具。相关成果以“Toward Arbitrary Spin-Orbit Flat Optics Via Structured Geometric Phase Gratings”为题发表在光学高影响力期刊Laser & Photonics Reviews，并被编辑部推选为第5期正封面论文（图1），我校为第一完成单位。

图1  Laser Photonics Rev. issue 5封面故事：基于液晶超构几何相位实现任意自旋-轨道互易转换接口。

SOC光子态是指光场自旋（偏振）与旁轴空间模式发生不可分离耦合形成的“自由度间纠缠态”。在相干态表象下的经典SOC光子态具备各向异性的偏振、振幅及相位光束横向结构，在新型多模态空分复用技术以及基于光-物质相互作用的应用研究中扮演重要角色；而粒子数表象下SOC光子独特的非经典结构能够用于一系列新型高维光量子信息处理方案（如高维量子秘钥、CNOT门控以及隐形传态等）。无论对于量子还是经典应用，目标SOC态与标量态间的互易转换接口是实现该类结构光子态产生、调控及表征的重要物理途径。几何相位平面光学元件由于高效、紧凑及易集成等优点已被广泛用于相关研究中。然而，目前以q-plate为代表的此类元件只提供自旋相关的波前控制能力。振幅调控能力的缺失导致无法利用光场的全部空间维度，便无法调控出能够稳定传播的本征矢量模式。这一瓶颈问题严重阻碍了SOC态在相关领域研究的进一步深化。

针对上述瓶颈问题，联合团队基于液晶光控取向技术开发出一种具备任意自旋共轭空间复振幅调控能力SOC元件——结构几何相位光栅（SGPG）。针对目标调控光场的矢量空间结构，逆向设计具备空间变化取向、周期及相位深度的共轭几何相位，最终获得目标元件液晶取向分布。该元件与偏振光栅搭配使用即可实现任意目标SOC态与对应标量偏振基模态间的高效互易转换（见图2）。

图2 基于结构几何相位光栅的任意自旋-轨道耦合互易接口。

基于上述原理，研究团队设计、制备了一系列调控常见结构高斯SOC态的SGPG。实验表明（见图3）基于该元件的SOC互易接口一方面能够将标量偏振模式精确转换为高质量的目标SOC态（第一列），也可将产生的SOC态再次精确转换回能够高效耦合进单模光纤的标量偏振态（第二列）。此外，基于SOC投影测量结果理论重构出的光束矢量分布（第三列）与第一列中的实验产生结果高度一致，证明了SOC元件及系统的可靠性。本工作开启了基于平面光学的SOC光场空间结构全维度精确调控技术，为基于SOC态的高维经典及量子光场制备、调控及接口技术研究提供了重要支撑。

图3 利用任意SOC互易接口产生与表征基于  阶（a）Laguerre–Gauss，（b）Ince–Gauss及（c）Hermite–Gauss共轭模式的SOC态。

该研究工作于2023年2月8号以“Toward Arbitrary Spin-Orbit Flat Optics Via Structured Geometric Phase Gratings”为题在线发表在Laser & Photonics Reviews上（DOI: 10.1002/lpor.202200800），并于5月12日作为第5期正封面印刷发表（Front Cover: 10.1002/lpor.202370021）。我校测通学院省量子调控重点实验室为第一完成单位，仪器科学与技术学科2021级硕-博连读生李春宇（原物理系16级本科生及20级硕士研究生）与南京大学现代工学院2021直级博生刘思嘉为共同第一作者；测通学院朱智涵与南大现代工学院陈鹏、陆延青教授为共同通信作者。研究工作得到了国家自然科学基金、科技创新2030重大项目、江苏省前沿引领技术基础研究专项等资助。