光的角动量通常来自两类机制：一类与偏振相关，反映电场的旋转；另一类由波前形状决定，波前在传播中呈螺旋扭曲，对应轨道角动量。轨道角动量光因可用于信息编码、与物质相互作用以及对物理和生物系统进行探测而受到关注。不过，在自由空间中获得定义明确的扭曲光束仍存在技术难点，尤其当光源来自量子点、单分子等微小或局部化发射体时，传统光束整形方案往往难以高效工作。

近期发表于《Advanced Photonics Nexus》的一项研究报道提出，通过将介电多层堆叠结构与图案化金属表面结合，可将表面束缚的光波转换为具有可控偏振与轨道角动量的自由空间光束。研究称，该方案规避了早期设计中的多项限制，并指向与单光子发射器集成的潜在方向。

以布洛赫表面波作为中介

现有产生轨道角动量的方法多依赖全息图、液晶器件或超表面薄膜对入射激光束进行重塑。这些方法在大尺寸、外部照明条件下较为有效，但当光需要在芯片上直接产生，或由纳米级发射体提供时，受限于照明不均匀与入射角难以精确控制，光束整形效率与可重复性会受到影响。

研究团队采用布洛赫表面波作为连接微观光源与自由空间辐射的途径。布洛赫表面波沿特定设计的介电多层堆叠表面传播。研究指出，相比在金属界面传播且吸收损耗较大的表面等离激元，布洛赫表面波可在更低损耗条件下引导光传播。

在该平台中，由五氧化二钽与二氧化硅构成的多层堆叠用于支持可见波段的布洛赫表面波。研究人员在堆叠顶部制备由金纳米棒组成的手性超表面，纳米棒排布为同心环或螺旋图案，并通过渐进旋转引入明确手性，以调控表面波向自由空间的散射方式。

三步实现从表面波到自由空间扭曲光

研究将工作过程概括为三步：

第一步，入射激光被整形以高效耦合到介电堆叠上的布洛赫表面波。入射光采用圆偏振的环形光束，并聚焦到结构中心的平坦区域，以避免直接照射超表面。

第二步，被激发的布洛赫表面波沿表面径向传播。研究称，由于激发方式的设定，表面波已携带与入射偏振相关的结构化相位模式。

第三步，当表面波传播至外围手性超表面区域后，被向上衍射进入自由空间。超表面的几何参数决定出射光束的偏振与轨道角动量；通过调整螺旋臂数量及纳米棒取向，可选择性地产生或抑制特定角动量态。

研究强调，该设计具有较强的偏振选择性：超表面偏好一种圆偏振，使大部分能量集中到单一扭曲光态。实验结果显示，约80%的发射光携带所需的圆偏振，从而提升光束纯度并简化输出。

资深作者Emiliano Descrovi表示，研究目标是“在微小光源与结构化光之间搭建桥梁”，并称通过布洛赫表面波引导光可实现精确塑形，同时避免金属体系的高损耗。

仿真、制备与测量验证

研究团队首先进行数值模拟，结果显示衍射功率主要由具有选定偏振与轨道角动量的光携带。模拟还表明，光束的涡旋荷由入射偏振与超表面设计共同决定。

在实验验证中，研究人员采用电子束光刻与金沉积制备多层堆叠及图案化超表面，并使用定制光学显微镜进行表征，通过成像高数值孔径物镜后焦平面的方式获取光的角分布。

测量结果与模拟相符：衍射光束呈现环形强度分布与螺旋干涉图样等轨道角动量光的典型特征，涡旋荷可从零到多个单位变化。研究同时指出，只有在激发布洛赫表面波时才观察到扭曲光输出，表明该效应来自表面波介导，而非超表面直接散射。

介电体系带来的低损耗路径

研究认为，该工作展示了一条基于低损耗表面波生成自由空间结构化光的路径，可实现偏振与轨道角动量的可控输出，并因依赖介电材料引导表面波而避开了多项与等离激元结构相关的效率限制。

作者还指出，该平台可适配直接置于表面的纳米级光源；若能实现发射体的精确定位，结构有望将其辐射转换为定义良好的扭曲光束，并可能延伸至单光子尺度的应用场景。研究将其定位为解决集成光子学中“将微观发射体与宏观结构化光束连接”这一长期挑战的尝试之一。