研究實現自然界最高自由度的超構表面光場調控 為復雜光學功能的實現奠定基礎
【化工儀器網 項目成果】超構表面(Metasurface)是一種能在亞波長厚度范圍內對光場的偏振、振幅、相位進行靈活調控的人工設計的新型結構，可視為超構材料的二維(平面)對應。作為微納光學的前沿熱點，超構表面因其強大的光場調控能力、可批量制造性及超薄平面結構特性等，被廣泛用于各種微納結構功能器件中，實現諸如全息成像、平面透鏡、信息加密等功能。
自2011年超構表面概念首次提出，基于超構表面的光場調控的新原理、新技術以及新應用不斷涌現，包括了各種各樣的光場調控功能和器件。這些光場調控看似功能迥異、各有不同，但在數學上都可以用一個2×2的瓊斯矩陣統一描述，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控。
瓊斯矩陣通常用于描述光學器件對光的偏振、振幅、相位的調控能力，共包含8個參數自由度。能調控的自由度越多，意味著對光場的調控能力越強，實現的功能也越豐富。對于單層結構，由于平面結構的對稱性，其自由度最多只能達到6個。
近日，暨南大學納米光子學研究院教授李寶軍、包燕軍等研究人員實現了自然界結構對光場的最普適以及最高自由度的調控。在該項工作中，李寶軍團隊基于雙層超構表面結構，結合梯度下降算法和巧妙的結構設計，實現了自然界中結構所能達到的最大8個自由度的光場調控，并且給出傳統設計方法所不能實現的光場調控功能，諸如：實現了對任意兩種偏振態(可非正交)振幅和相位的獨立調控；引入雙層結構之間旋轉自由度，與4種入射及探測偏振態相結合，實現了高達16種的獨立全息圖像。
該項工作的重要意義在于首次實現了自然界結構對光場的最普適以及最高自由度的調控，從而為自然界所允許的任意復雜光學功能的實現奠定了很好的基礎。
相關成果Observation of full-parameter Jones matrix in bilayer metasurface于近日發表在期刊《自然通訊(Nature Communications)》。
資料來源：中國科學報
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