共同一作：Tianyue Li（南京大学物理学院）；共同一作：Wenyu Gao（中国科学院西安光学精密机械研究所）；共同一作：Boyan Fu（南京大学物理学院）；Tianhua Shao（南京大学物理学院）；Yuchao Fu（洛桑联邦理工学院纳米光子学与计量实验室）；Siarhei Zavatski（洛桑联邦理工学院纳米光子学与计量实验室）；Jeeban Kumar Nayak（洛桑联邦理工学院纳米光子学与计量实验室）；Shaohui Yan（中国科学院西安光学精密机械研究所）；通讯作者： Xiaohao Xu（中国科学院西安光学精密机械研究所）；通讯作者： Shuming Wang（南京大学物理学院）；详细介绍可见：[超表面领域大牛-18] 南京大学-王漱明-国家杰青通讯作者： Baoli Yao（中国科学院西安光学精密机械研究所）；Zhenlin Wang（南京大学物理学院）；详细介绍可见：[超表面领域大牛-17] 南京大学-王振林-国家杰青|长江|南京大学副校长Shining Zhu（南京大学物理学院）；详细介绍可见：[超表面领域大牛-2]南京大学-祝世宁-中国科学院院士Olivier J. F. Martin（洛桑联邦理工学院纳米光子学与计量实验室）；通讯作者： C. T. Chan（香港科技大学物理学系）；详细介绍可见：[超表面领域大牛-10] 香港科技大学-陈子亭-香港科技大学副校长

图1 GOMS的概念。

A 传统光学扳手，其通过高阶拉盖尔-高斯光束的轨道角动量分量诱导方位相位梯度光力。B 任意多边形形状的广义光学扳手，其形状由横向平面中的闭合轮廓定义。C GOMS的示意图，它结合了便携性与多任务驱动能力。通过使用三个圆偏振通道，它可以产生传播变化的广义光涡旋场，从而驱动颗粒进行多面体式运动。D 传播变化广义光涡旋的设计原理。每个光场图样Ψ由2N + 1个贝塞尔函数组成，在k空间中形成等间距梳状分布。光线追迹颜色编码表示局域相位，而不同传播距离下对应的模拟横向强度分布显示在下方。通过对这些分布进行精确加权，沿z方向的轴上强度分布遵循定制的强度F(z)，从而实现从五边形到六边形的轮廓过渡。

图2 多任务超表面的设计与制备。

A 流程图展示了超表面的编码过程：每个像素通过重新映射到笛卡尔矩阵中进行采样，随后通过振幅调制获得逐像素交织的复场。然后检索对应的纳米柱几何参数用于图案填充。通道J̃1和J̃2对应的纳米柱在空间上交错排列。B 所设计纳米柱的圆偏振转换效率仿真结果。C 选定纳米柱在交叉圆偏振通道（红色）和同圆偏振通道（灰色）下的测量转换效率。D 与C中数据对应的相位延迟ϕo和ϕe分布。E 制备超表面的光学显微图像；比例尺为250 μm。F 超表面的俯视扫描电子显微镜图像；比例尺为5 μm。G 超表面的侧视扫描电子显微镜图像；比例尺为5 μm。

图3 超表面传播变化广义光涡旋的表征。

A–C 分别是在三种不同圆偏振通道下，传播变化广义光涡旋从三角形到四边形、从五边形到六边形、以及从环形到七边形广义光涡旋演化的实验测量结果，并附有其在傅里叶空间中对应的理想相位与振幅分布。比例尺为10 μm。

图4 微操控演示。

A 实验装置示意图。B 捕获腔室的细节示意图。C–N 金颗粒沿着广义光涡旋轨迹进行操控的时间序列显微图像，虚线箭头表示操控方向，伪彩色曲线表示目标广义光涡旋轮廓。比例尺为5 μm。

图5 基于超表面的广义光学扳手阵列。

A 样品表征、设计流程与广义光学扳手阵列的相位分布。左侧面板展示了具体的超表面样品，分别由光学显微图像（上）和扫描电子显微镜图像（下）给出。右侧面板展示了相位分布。每个相位分布都是通过分别计算四个方向上的相位梯度获得，再将这些梯度线性叠加，并将所得相位图与三通道超表面设计结合得到。B–D 与A中总相位对应的光场分布实验结果。E–G 利用超表面的三个通道对多组SiO2“项链”进行操控的时间序列成像。这些时间序列快照分别对应于B–D所示的同平面多任务广义光学扳手阵列。在每种情况下，左上和右下“项链”表现出逆时针旋转，而右上和左下“项链”表现出顺时针旋转。