完美涡旋光束因其独特的环形光强分布（不随拓扑荷数变化）而备受关注，但由于需要精确控制相位和偏振，其产生面临巨大挑战。本研究提出并验证了一种新的完美涡旋光束产生方法，能够选择不同的方位角变化相位梯度和矢量状态，从而实现对完美涡旋光束相位和偏振模式的完全控制。我们利用双功能硅基超表面光学器件，实现了新型完美涡旋光束（称为方位角变化完美矢量光束）的紧凑产生。通过滤波方法对所产生光束进行光学表征，证实了其内在的方位角变化矢量特性。这些光束展现出独特的性质，在光学镊子、低折射率粒子操控、冷原子捕获以及大容量通信等领域具有重要应用前景。

Fig. 1. 方位角变化完美矢量光束（AV-PVB）产生的示意图。当设计的超表面被线偏振高斯光束照射时，在焦平面上形成AV-PVB，其相位和偏振特性由超表面设计决定。通过利用超表面光学器件的双功能性（根据输入圆偏振光的自旋状态赋予不同的相位模式），产生完美涡旋光束。通过使用半波片调整入射线偏振高斯光束的偏振角度，可以改变焦平面上的偏振模式，如蓝色和绿色图案所示（分别代表电场的x和y分量）。在超表面后引入一个旋转的线偏振器（其主轴方向如第二行白色箭头所示），可以产生多光斑结构，光斑的大小、旋转速度或方向根据偏振模式而变化。

Fig. 2. 超表面产生两个具有单一梯度扇区但拓扑荷数相反的涡旋环。超表面编码的动态相位（a）和几何相位（b）。在左旋（c）和右旋（d）圆偏振高斯光束照射下，超表面光学响应的模拟结果。矢量光束在线偏振滤波前（e1, f1）和滤波后（e2-e5, f2-f5）的模拟（e）和实测（f）强度分布。方位角相位梯度导致电场振幅分量（Ex和Ey）沿环的方位角变化（e1）。通过在不同角度插入旋转线偏振器，实测的光斑尺寸变化（f2-f5）与模拟结果（e2-e5）进行了比较。内环的涡旋（外环的反涡旋）状态产生逆时针（顺时针）旋转。当θ=π/2时，两个环滤波后的方位角强度分布的理论与模拟结果对比（g）。

Fig. 3. 超光学器件生成分为四个扇区的两个环，拓扑荷为零，但呈现出方位角变化的偏振模式。生成处于具有四个梯度扇区（梯度交替反转）的相反矢量状态下两个环的超光学器件的编码动态（a）和几何（b）相位。在左旋圆偏振（c）和右旋圆偏振（d）高斯光束照明下，超光学器件的模拟光学响应。在进行线性偏振滤波（e2 - e5，f2 - f5）之前（e1，f1）和之后，矢量光束的模拟（e）和测量（f）强度。方位相位梯度会使电场的振幅分量（Ex和Ey）沿环（e1）产生方位角变化。在不同角度插入旋转线性偏振器，显示滤波后矢量光束光斑尺寸的测量变化（f2 - f5），以便与模拟结果（e2 - e5）进行比较。在四个扇区的每个扇区中，内环和外环处于相反的矢量状态，导致相反的光斑旋转。对两个环滤波后，当θ=π/2时，方位角强度分布的理论与模拟结果对比（g）。

Fig. 4. 生成具有指数和正弦相位梯度的方位角变化矢量偏振光束（AV - PVBS）的超光学器件。超光学器件施加 l0 = 0、l1 = 3 且相位梯度函数β(·)时的模拟和测量光学响应。在垂直偏振光下，对生成光束的模拟（a1）和实验（b1）测量。Ex和Ey之间的|2l1|变化证实了光束的矢量特性。在环的第一个区域中偏振变化较弱，但随后遵循指数规律大幅增强。滤波后光束表征的模拟（a2 - 5）和实验（b2 - 5）结果。由于环处于涡旋状态，光斑沿与检偏器相同的方向旋转。超光学器件施加 l0 = 1、l1 = 3 且相位梯度函数 β(·) 时的模拟（c）和测量（d）光学响应。Ex和Ey之间的|2l1|变化证实了光束的矢量特性。由于正弦函数的π周期性以及背景电荷l0的贡献，偏振变化不对称。此外，由于上述周期性，当函数的梯度每π改变一次符号时，环会自然地分成两个处于相反状态的子扇区。滤波后光束表征的模拟（c2 - 5）和实验（d2 - 5）结果。当梯度为正时，光斑沿与检偏器相同的方向从-π/2旋转到π/2；否则，它们沿相反方向旋转。实验得到的方位角分布与理论分布吻合良好。当θ = 0时，两个样品滤波后方位角强度分布的理论与模拟结果对比（e）。

Fig. 5. 制备的样品及实验装置。a 为图3中超光学器件的明场显微镜图像。b、c 分别为图4c - e 中所示响应的样品的倾斜视角和顶视扫描电子显微镜（SEM）检测图像。d 为矢量光束表征的光学布局。SMF：分布式反馈（DFB）激光器的单模光纤；LF：焦距fF = 7.5mm的非球面透镜；P1：线性偏振片；望远镜系统L1和L2，其焦距f1 = 3.5cm、f2 = 10.0cm；BS：非偏振分束器；SLM：液晶空间光调制器（LCoS 空间光调制器）；M：反射镜；QWP1：四分之一波片；HWP1：半波片；4f 系统（透镜 L3 和 L4），其焦距 f3 = 20.0cm、f4 = 12.5cm；D1：可变光阑；MO：超光学器件；OBJ：20 倍物镜；QWP2：四分之一波片；P2：线性偏振片；CCD：电荷耦合器件相机。

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