摘要：近日，湖南师范大学景辉教授团队与湖南大学段辉高教授团队合作，基于各向异性超构表面首次实现了偏振无依赖色散复振幅调控，为偏振无依赖波前调控技术的实现开辟了新的途径。相关研究成果以“Polarization-independent dispersive compl

近日，湖南师范大学景辉教授团队与湖南大学段辉高教授团队合作，基于各向异性超构表面首次实现了偏振无依赖色散复振幅调控，为偏振无依赖波前调控技术的实现开辟了新的途径。相关研究成果以“Polarization-independent dispersive complex-amplitude modulation via anisotropic metasurfaces”为题，于2025年1月11日在线发表于光学领域权威期刊《Laser ＆ Photonics Reviews》。湖南师范大学副教授杨辉和博士生彭美瑜为论文的共同第一作者，湖南师范大学景辉教授、湖南大学胡跃强教授和段辉高教授为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、湖南省科技创新领军人才项目、湖南省揭榜挂帅项目、湖南省自然科学基金的支持。

超构表面能够在亚波长尺度上实现对电磁波的振幅、相位、频率及偏振等物理维度的精准调控，在电磁波操控方面展现出传统材料难以企及的优势，为集成化多功能平面光学器件的发展提供了优越平台。现阶段，众多超构器件表现出偏振敏感性，即仅能在特定偏振光条件下正常工作，这一特性在很大程度上限制了其在特定应用领域中的广泛使用。

为了克服这一限制，人们通常采用具有C4旋转对称截面的纳米结构单元，例如圆柱体、立方体及其衍生物。通过采用这种方法，可以实现偏振不敏感的波前调控，然而这将导致在参数空间中损失的自由度。这种自由度的损失会限制所设计超构器件的功能及最终性能。为了实现偏振无依赖的色散复振幅调控，该课题组在以前的工作中提出了一种三维集成超构表面结构。该结构通过在彩色滤光片上精心堆叠相位板元件来实现近场纳米打印和远场全息。然而，这种设计方案不可避免地给制造过程带来了额外挑战，极大增加了器件的复杂性、尺寸、重量以及成本。迄今为止，通过单层超构表面实现偏振无依赖的色散复振幅调控（同步操纵相位，振幅和频率）尚未实现。

在这项研究工作中，与直觉相悖的是，利用单层各向异性超构表面成功实现了偏振无依赖的色散复振幅调制。通过充分利用平面内参数空间中的自由度，研究人员能够在不增加超构表面制造复杂性的前提下实现以往难以达成的偏振无依赖功能。如图1所示，文中对比了基于各向同性和各向异性结构实现偏振无依赖的色散复振幅调控所对应的参数自由度。

图1 各向同性和各向异性结构实现偏振无依赖色散复振幅调控对比图

作为概念的验证，研究人员从理论上和实验上展示了偏振无依赖的彩色纳米打印、彩色纳米打印与彩色全息的集成以及任意功率比的消色差多端口分束器。其机理依赖于对组合超构单元的叠加色散琼斯矩阵进行优化，在一对正交极化基下展现出一致的行为特性，如图2所示。特别地，为了确保实现真正的偏振无依赖特性，研究人员在优化过程中同时考虑了色散琼斯矩阵中的交叉偏振和共偏振分量。

图2 各向异性结构实现偏振无依赖色散复振幅调控设计原理图

基于上述原理，研究团队开发了一种全新的偏振无依赖彩色纳米打印策略，它完全不同于依赖于光谱特性优化的共振结构色。并在理论和实验上展示了具有4个和7个颜色的偏振无依赖彩色纳米打印器件（如图3所示），对应的实验结果与数值仿真结果都能很好地展现对应的颜色。

图3 偏振无依赖结构色纳米打印功能展示

在此基础上，研究人员开发了修正的GS相位迭代算法，实现了色散近场振幅和远场全息相位的协同调控。并以文中设计的各向异性的单层超构表面为物理载体，设计和展示了偏振无依赖的彩色纳米打印与彩色全息的集成器件（如图4所示）。该器件的实现得益于对超构表面平面内结构参数自由度的充分利用，从而实现了以往单层结构难以实现的先进功能。

图4 偏振无依赖彩色纳米打印与彩色全息集成功能展示

通过充分利用单层各向异性超构表面参数空间中的自由度，研究人员成功实现了偏振无关的色散复振幅操纵，超越了传统各向同性超构表面的能力。为了实现这一违反直觉的调制功能，研究人员对多原子超构单元的叠加色散琼斯矩阵进行了优化，使其在一对正交极化基下表现出一致的行为。作为概念验证，研究人员通过数值模拟和实验展示了偏振无依赖的彩色印刷，其实现过程与依赖光谱特性优化的传统结构色方法截然不同。此外，研究人员还展示了近场彩色印刷与远场彩色全息的集成，以及具有任意功率比的消色差多端口分束器。研究人员提出的方法具有通用性，可以扩展到设计其他偏振无依赖的超构表面器件，在光学显示与成像、信息传输和增强现实等领域具有广泛的应用前景。

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来源：科学大厦汇