消除串扰：多功能超表面新突破

原创 长光所Light中心 中国光学 收录于话题#超构表面11个

撰稿 | 李嘉鑫（武汉大学电子信息学院，博士生）

说明 | 本文是由论文作者投稿

振幅、相位、偏振态等参量是光波的基础物理属性，得益于对这些参量强大的独立操控能力，超表面材料能够同时将多个功能集成在一个器件上。多功能超表面可显著提高器件携带的信息量、减小体积重量、降低功耗和提高可靠性，从而在光学防伪、信息复用、AR/VR等领域发挥重要作用。

艺术效果图：多功能超表面应用前景广阔

多功能超表面重要的表现形式之一是近远场型多功能呈现，即同时在超表面的近场和远场展示截然不同的功能。目前的近远场型多功能超表面主要有以下几种设计方法：

（1）采用“交错拼接”、“叠层设计”、“分区设计”(代表论文：Nat. Commun 10, 1 (2019) | )等方法，将超表面划分成不同空间区域以对应不同的功能，但这种方法但无法破解“多功能集成-器件尺寸之间相互制约的矛盾：即超表面器件集成的功能越多、其所需的尺寸越大，所引发的串扰、加工工艺难度和制造成本将大幅增加。随着片上光器件的功能越来越强大，这种矛盾将愈发突出。

特定空间区域对应不同功能的设计方法

（2）利用马吕斯定律的转角简并性(代表论文：Light Sci Appl 9, 101 (2020) | )，即一个纳米结构最多有四个转角对应同一个振幅调制值。由于几何相位和纳米结构的转角相关，因此出射光的振幅和相位有“一对四”的映射关系，从而能够独立设计远场相位型功能和近场振幅型功能。然后，由于有限的简并度，相位型功能的性能限制较明显。

（3）将光谱调控与相位调控结合起来(代表论文：ACS Nano 12, 6421-6428 (2018) | )也能够实现不同的近场功能和远场功能。但是受限于设计自由度，近场的结构色光谱选择非常有限。这种设计方法的近远场功能耦合依然难以避免。

（4）采用复振幅型超表面结构(代表论文：Light Sci Appl 8, 95 (2019) | )(代表论文：Light Sci Appl 8, 92 (2019) | )能够同时且独立地对光波的振幅和相位进行操控。这种方法实现了光参量的解耦，有效提升了设计自由度，但是由于不同光参量在传输过程中的固有关联，远场的相位调控功能会不可避免地受到近场的振幅调控功能影响。

由此可见，目前的多功能超表面很难完全消除近远场功能之间的耦合，由此带来的设计复杂、串扰、低效率等问题极大地影响了超表面器件的性能，且限制了超表面的功能设计，其表现之一就是近远场多功能器件还不能实现远场的纯相位调控器件，比如透镜等。

既要多功能又要高性能，近远场多功能超表面亟待原理的突破和方法的创新。基于以上难题，武汉大学郑国兴课题组、中国信科集团及鹏城实验室余少华院士、新加坡国立大学仇成伟课题组、香港大学张霜课题组、中科院苏州纳米所王逸群课题组展开合作研究，首次实现了超表面近远场的完全功能解耦，即近场的振幅调制将不再影响远场相位调制的光场重构，彻底消除了近远场功能之间的串扰，从而将近远场超表面器件从单纯的“多功能”向“高性能”方向发展推进了重要的一步。

艺术效果图：完全解耦的近远场功能

该成果以 From Lingering to Rift: Metasurface Decoupling for Near- and Far-Field Functionalization 为题发表在 Advanced Materials 。

要实现功能的完全解耦，不仅要独立操控光参量，还要切断它们在衍射过程中产生的固有关联。为此，研究人员利用偏振态将近远场功能分为两个通道：

通道1工作于线偏光，利用纳米砖转角调控振幅，调控结果对应于近场；

通道2工作于圆偏光，同时利用纳米结构的大小和转角调控相位，调控结果对应于远场。

作为对该方案的验证，研究人员设计了一个融合超透镜功能和纳米灰度图像显示功能的超表面器件，该范例中近远场功能的性能参数均可媲美相应的单功能器件，兼顾了近远场超表面器件的高性能和低串扰。

实验范例：（a）无串扰的双功能超表面。（b）近场高分辨率灰度图像。（c）20倍显微镜下所拍超透镜外形。

该项工作最大限度利用了超表面结构的设计自由度，解决了近远场超表面功能耦合的难题，将超表面的信息密度和功能多样性提升到一个新的台阶，有望应用在高分辨率光学显示、光学成像、信息防伪等领域。

文章信息

Li, J., Wang, Y., Chen, C. et al. From Lingering to Rift: Metasurface Decoupling for Near- and Far-Field Functionalization. Adv. Mater. 2007507 (2021).

论文地址

https://doi.org/10.1002/adma.202007507

【】

编辑 | 赵阳

欢迎课题组投递成果宣传稿

转载/合作/课题组投稿，请加微信：447882024

往期推荐

Light: Science & Applications | 光的“降噪”：抑制光的反向散射

Nature Photonics | “机器学习”在超快光子学中的应用

Science | 微型光谱仪的30年进展

新刊推荐

开 放 投 稿：Light: Advanced Manufacturing

ISSN 2689-9620

期 刊 网 站：www.light-am.com

开 放 投 稿：eLight

CN 22-1427/O4 ISSN 2662-8643

期 刊 网 站：elight.springeropen.com

原标题：《消除串扰：多功能超表面新突破》

阅读原文