Traditional optical components are usually designed for a single functionality and narrow operation band, leading to the limited practical applications. To date, it is still quite challenging to efficiently achieve multifunctional performances within broadband operating bandwidth via a single planar optical element. Here, a broadband high-efficiency polarization-multiplexing method based on a geometric phase polymerized liquid crystal metasurface is proposed to yield the polarization-switchable functionalities in the visible. As proofs of the concept, two broadband high-efficiency polymerized liquid crystal metalenses are designed to obtain the spin-controlled behavior from diffraction-limited focusing to sub-diffraction focusing or focusing vortex beams. The experimental results within a broadband range indicate the stable and excellent optical performance of the planar liquid crystal metalenses. In addition, low-cost polymerized liquid crystal metasurfaces possess unique superiority in large-scale patterning due to the straightforward processing technique rather than the point-by-point nanopatterning method with high cost and low throughput. The high-efficiency liquid crystal metasurfaces also have unrivalled advantages benefiting from the characteristic with low waveguide absorption. The proposed strategy paves the way toward multifunctional and high-integrity optical systems, showing great potential in mobile devices, optical imaging, robotics, chiral materials, and optical interconnections.

中文翻译：

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可见光中具有自旋复用功能的宽带高效聚合液晶超表面

传统的光学元件通常针对单一功能和窄工作频带而设计，导致实际应用受限。迄今为止，通过单个平面光学元件在宽带工作带宽内有效实现多功能性能仍然相当具有挑战性。在这里，提出了一种基于几何相聚合液晶超表面的宽带高效偏振复用方法，以产生可见光中的偏振可切换功能。作为该概念的证明，设计了两种宽带高效聚合液晶超透镜，以获得从衍射限制聚焦到亚衍射聚焦或聚焦涡旋光束的自旋控制行为。宽频带范围内的实验结果表明平面液晶超透镜具有稳定和优异的光学性能。此外，低成本聚合液晶超表面由于简单的加工技术而不是高成本和低产量的逐点纳米图案化方法，在大规模图案化方面具有独特的优势。高效液晶超表面还受益于波导吸收低的特性，具有无与伦比的优势。所提出的策略为多功能和高完整性光学系统铺平了道路，在移动设备、光学成像、机器人技术、手性材料和光学互连方面显示出巨大潜力。低成本聚合液晶超表面由于简单的处理技术而不是高成本和低吞吐量的逐点纳米图案化方法，在大规模图案化方面具有独特的优势。高效液晶超表面还受益于波导吸收低的特性，具有无与伦比的优势。所提出的策略为多功能和高完整性光学系统铺平了道路，在移动设备、光学成像、机器人技术、手性材料和光学互连方面显示出巨大潜力。低成本聚合液晶超表面由于简单的处理技术而不是高成本和低吞吐量的逐点纳米图案化方法，在大规模图案化方面具有独特的优势。高效液晶超表面还受益于波导吸收低的特性，具有无与伦比的优势。所提出的策略为多功能和高完整性光学系统铺平了道路，在移动设备、光学成像、机器人技术、手性材料和光学互连方面显示出巨大潜力。高效液晶超表面还受益于波导吸收低的特性，具有无与伦比的优势。所提出的策略为多功能和高完整性光学系统铺平了道路，在移动设备、光学成像、机器人技术、手性材料和光学互连方面显示出巨大潜力。高效液晶超表面还受益于波导吸收低的特性，具有无与伦比的优势。所提出的策略为多功能和高完整性光学系统铺平了道路，在移动设备、光学成像、机器人技术、手性材料和光学互连方面显示出巨大潜力。