Geometric phase wavefront manipulation for arbitrary polarization states based on metasurfaces

超构表面可以在亚波长尺寸内任意调控光子的多个物理维度，为轻量化和小型化光子器件提供了变革性解决方案。在超构表面诸多相位调控机制中，几何相位备受科研人员关注，这归因于其直观且相对容易实现，此外几何相位结构固定的尺寸会降低微纳加工的难度。然而，几何相位的获取伴随着圆偏振态的正交转化，且这一过程局限于光源的圆偏振性。为克服这一局限性，本文提出了一种一般化的波前调控方法，可以在任意的偏振态下实现几何相位调制。这一方法的核心理念是利用偏振调制波片将任意偏振光转换为圆偏振光，并将几何相位赋予给圆偏振光，由此构建起几何相位阵列堆叠在偏振调制阵列上的自由站立式双层超构表面。作为原理的验证，我们在庞加莱球上任意选取了六个偏振态（线偏振、圆偏振和椭圆偏振）并设计了对应的超构表面展示了焦心偏移、轴上变焦和聚焦涡旋等波前调控功能。此外，我们进一步将几何相位与传输相位结合，展示了椭圆偏振复用的全息成像。文章提出的波前调控方法将几何相位拓展到任意的偏振态，为任意偏振态下的波前调控提供了全新的思路。