Optical vortices (OVs) carrying orbital angular momentum have been an emerging research area due to their widespread applications ranging from optical communication to particle trapping. However, conventional OV generators suffer from bulky configurations and limited performance. Here, we design and experimentally demonstrate high-efficiency focused OV generation by using geometric gap-surface plasmon metalenses with spin-flipped focal planes, where the polarization states, positions, and corresponding topological charges of the OVs can be controlled by changing the spin of incident circularly polarized light, reproducing thereby the combined functionalities of a lens and a q-plate. The fabricated dual-polarity OV metalens features the polarization conversion ratios above 88% and efficiencies exceeding 50% for both right-handed and left-handed circularly polarized light in a wide wavelength range of 850 to 1000 nm. We further extend this approach to realize a multiple-focal OV metalens with distinct and spin-multiplexed OVs at four different longitudinal focal planes. Compared to conventional OV generators, the proposed OV metalenses are compact, ultrathin, and multiplexed, therefore opening an innovative avenue for advanced research and applications aiming at multiple functionalities and dense integration in photonics.

中文翻译：

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具有几何间隙表面等离子体超透镜的高效聚焦光学涡流生成

携带轨道角动量的光涡流 (OV) 因其从光通信到粒子俘获的广泛应用而成为一个新兴的研究领域。然而，传统的 OV 发电机配置庞大且性能有限。在这里，我们通过使用具有自旋翻转焦平面的几何间隙表面等离子体超透镜设计并实验证明了高效聚焦 OV 生成，其中可以通过改变自旋来控制 OV 的偏振态、位置和相应的拓扑电荷。入射圆偏振光，从而再现透镜和 q 板的组合功能。所制造的双极性 OV 元透镜在 850 至 1000 nm 的宽波长范围内对右旋和左旋圆偏振光的偏振转换率超过 88%，效率超过 50%。我们进一步扩展了这种方法，以在四个不同的纵向焦平面上实现具有不同和自旋复用 OV 的多焦 OV 元透镜。与传统的 OV 发生器相比，所提出的 OV 超透镜结构紧凑、超薄和多路复用，因此为旨在实现多功能和光子学密集集成的高级研究和应用开辟了一条创新途径。我们进一步扩展了这种方法，以在四个不同的纵向焦平面上实现具有不同和自旋复用 OV 的多焦 OV 元透镜。与传统的 OV 发生器相比，所提出的 OV 超透镜结构紧凑、超薄和多路复用，因此为旨在实现多功能和光子学密集集成的高级研究和应用开辟了一条创新途径。我们进一步扩展了这种方法，以在四个不同的纵向焦平面上实现具有不同和自旋复用 OV 的多焦 OV 元透镜。与传统的 OV 发生器相比，所提出的 OV 超透镜结构紧凑、超薄和多路复用，因此为旨在实现多功能和光子学密集集成的高级研究和应用开辟了一条创新途径。