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超構(gòu)表面(Metasurface)是一種能在亞波長厚度范圍內(nèi)對光場的偏振、振幅、相位進(jìn)行靈活調(diào)控的人工設(shè)計的新型結(jié)構(gòu)，可視為超構(gòu)材料的二維(平面)對應(yīng)。作為微納光學(xué)的前沿?zé)狳c，超構(gòu)表面因其強大的光場調(diào)控能力、可批量制造性及超薄平面結(jié)構(gòu)特性等，被廣泛用于各種微納結(jié)構(gòu)功能器件中，實現(xiàn)諸如全息成像、平面透鏡、信息加密等功能。

自2011年超構(gòu)表面概念首次提出，基于超構(gòu)表面的光場調(diào)控的新原理、新技術(shù)以及新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，包括了各種各樣的光場調(diào)控功能和器件。這些光場調(diào)控看似功能迥異、各有不同，但在數(shù)學(xué)上都可以用一個2×2的瓊斯矩陣統(tǒng)一描述，這些不同的功能器件都可歸納于不同自由度瓊斯矩陣的調(diào)控。

瓊斯矩陣通常用于描述光學(xué)器件對光的偏振、振幅、相位的調(diào)控能力，共包含8個參數(shù)自由度。能調(diào)控的自由度越多，意味著對光場的調(diào)控能力越強，實現(xiàn)的功能也越豐富。對于單層結(jié)構(gòu)，由于平面結(jié)構(gòu)的對稱性，其自由度最多只能達(dá)到6個。

近日，暨南大學(xué)納米光子學(xué)研究院教授李寶軍、包燕軍等研究人員實現(xiàn)了自然界結(jié)構(gòu)對光場的最普適以及最高自由度的調(diào)控。在該項工作中，李寶軍團(tuán)隊基于雙層超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)，結(jié)合梯度下降算法和巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了自然界中結(jié)構(gòu)所能達(dá)到的最大8個自由度的光場調(diào)控，并且給出傳統(tǒng)設(shè)計方法所不能實現(xiàn)的光場調(diào)控功能，諸如：實現(xiàn)了對任意兩種偏振態(tài)(可非正交)振幅和相位的獨立調(diào)控；引入雙層結(jié)構(gòu)之間旋轉(zhuǎn)自由度，與4種入射及探測偏振態(tài)相結(jié)合，實現(xiàn)了高達(dá)16種的獨立全息圖像。

該項工作的重要意義在于首次實現(xiàn)了自然界結(jié)構(gòu)對光場的最普適以及最高自由度的調(diào)控，從而為自然界所允許的任意復(fù)雜光學(xué)功能的實現(xiàn)奠定了很好的基礎(chǔ)。

相關(guān)成果Observation of full-parameter Jones matrix in bilayer metasurface于近日發(fā)表在期刊《自然通訊(Nature Communications)》。

資料來源：中國科學(xué)報

關(guān)鍵詞： 瓊斯矩陣 平面結(jié)構(gòu) 功能器件