Science Advances|光频完美异常反射器件

撰稿 | Brooke（中科院长春光机所）

超表面是一种由平面型人工原子按特定宏观排列方式构建而成的二维超材料，能够在亚波长尺度下调控光波的振幅，相位和偏振等特性，已经展示了丰富的光波调控能力，如光波异常偏折、色散补偿、超透镜成像、全息成像等等。超表面还具有损耗低、可制备、易集成等特点，成为电磁波调控研究的新平台。

尽管超表面具有优异的光波调控能力，但调控效率低一直是光学超表面的瓶颈问题之一，这也成为制约光学超表面走向实用化甚至商业化的关键因素。异常偏折（如图 1）是超表面调控光波最基本的方式之一，也是各种复杂光波调控和应用的基础，如超透镜、光谱仪、激光雷达等。目前光学超表面器件的异常偏折效率低于 90%，难以满足其在激光领域应用时效率优于 99% 的需求，亟待突破异常偏折效率的科学认识，创新调控方法，获得光频完美异常偏折器件。

图 1：均匀分界面的折反射和超表面的异常偏折

超表面异常偏折效率的科学认识主要经历了两个阶段：早期研究利用相位梯度控制光束异常偏折的方向[1]，[2]，但仅考虑相位梯度无法给出光束异常偏折的多少，导致难以实现效率接近 100% 的完美异常偏折；近期研究指出完美异常偏折需要相位和振幅的协同调控[3]，[4]，特别是振幅调控需要在超表面不同区域同时实现增益和损耗，这对光频超表面异常偏折的设计提出了全新的挑战，尚无解决方案。

鉴于此，同济大学物理科学与工程学院 程鑫彬 教授和 王占山 教授联合复旦大学物理学系 周磊教授，从完美异常反射的物理要求出发，首先阐明了完美异常反射所需要的能流分布形式，提出了一维多层膜结合二维超表面的准三维亚波长新结构，通过准三维结构内传输波和布洛赫波的高效耦合，增强了多重散射并提高了非局域能流调控能力，在 1550 纳米实现了国际上效率最高的、效率优于 99% 的光频异常反射。

该成果以“Perfect anomalous reflectors at optical frequencies”为题发表在 Science Advances 期刊。同济大学 王占山 教授，复旦大学 周磊 教授，同济大学 程鑫彬 教授为论文共同通讯作者，同济大学博士后 何涛，复旦大学博士研究生 刘通 为论文的共同一作，对论文具有突出贡献的合作者还包括上海大学 肖诗逸 教授，同济大学 魏泽勇 副教授。

论文首先从完美异常反射的物理要求出发，给出了实现完美异常反射的能流分布要求：抑制能流分布的二阶项，同时匹配一阶项（如图 2）。在一个无源且无损耗的无透射系统中，可以使用系统内部的横向能流调控来获得所需的能流分布。

图 2：完美异常反射的能流分布要求

传统的金属超表面和介质超表面受限于吸收（透射）损耗和（或）横向能流调控能力不足，难以实现完美异常反射。论文提出了一维多层膜结合二维超表面的准三维亚波长新结构，由于电磁波与结构的相互作用，入射光被高效地耦合进超表面结构内部的布洛赫波和间隔层内部的传输波中，通过控制不同阶数电磁波复杂的多重散射，增强了整个系统横向能流的调控能力，如图 3 所示。进一步分析结构内的场分布，发现可以利用多层膜的反射振幅和相位对布洛赫波及传输波产生的横向能流进行调控，从而实现完美异常反射需要的能流分布。

图 3：准三维亚波长结构实现完美异常反射：利用多层膜的振幅和相位调控横向能流

以正入射情况下的 40° 完美异常反射为例，介绍了准三维亚波长结构实现完美异常反射的设计理念和方法。考虑到 40° 完美异常反射的相位要求仍然接近线性梯度且需要抑制透射损耗，因此采用梯度超表面和高反射薄膜作为初始结构，在此基础上通过改变多层膜的相位响应 ϕ₀ 和 ϕ₁ 来实现完美异常反射所需的能流分布。设计了符合反射振幅和相位要求的多层膜与超表面构成的准三维亚波长结构，实现了效率优于 99% 的光频异常反射（如图 4）。使用磁控溅射技术制备了多层膜和电子束直写技术制造了超表面，得到了结构如图 4 的准三维亚波长器件样品，样品异常偏折的测试效率高达 98%。实验和理论设计吻合良好，这也验证了制备和测试结果的准确性和可靠性。

图 4：样品 SEM 侧视图以及截面图和光谱测试结果

论文在 1550 纳米实现了迄今为止国际上最高的光频异常反射效率。除此之外，论文还设计了偏振无关和偏振选择的完美异常反射器件，展示了准三维亚波长结构强大的效率调控能力和潜力。研究工作得到了国家自然科学基金委员会，上海推进科技创新中心建设办公室，上海市教育委员会，上海市科学技术委员会的支持。

图 5：光频异常反射效率对比 [5]， [6]， [7]， [8]， [9]， [10]

前景展望

该工作以光学超表面实用化的需求为导向，解决了“效率低”这个限制其走向应用的“卡脖子”问题，有望推动基于光学超表面的微型光谱仪、轻薄激光雷达等仪器装备的跨越式发展。

论文信息

He T, Liu T, Xiao S, Wei Z, Wang Z, Zhou L, et al. Perfect anomalous reflectors at optical frequencies. Sci. Adv. 2022, 8(9): eabk3381.

https://doi.org/10.1126/sciadv.abk3381

参 考 文 献 

1. Yu N, Genevet P, Kats MA, Aieta F, Tetienne J-P, Capasso F, et al. Light Propagation with Phase Discontinuities: Generalized Laws of Reflection and Refraction. Science 2011, 334(6054): 333-337.

2. Sun S, He Q, Xiao S, Xu Q, Li X, Zhou L. Gradient-index meta-surfaces as a bridge linking propagating waves and surface waves. Nat Mater 2012, 11(5): 426-431.

3. Estakhri NM, Alu A. Wave-front Transformation with Gradient Metasurfaces. Phys. Rev. X 2016, 6(4): 041008.

4. Díaz-Rubio A, Asadchy VS, Elsakka A, Tretyakov SA. From the generalized reflection law to the realization of perfect anomalous reflectors. Sci. Adv. 2017, 3(8): e1602714.

5. Pors A, Albrektsen O, Radko IP, Bozhevolnyi SI. Gap plasmon-based metasurfaces for total control of reflected light. Sci. Rep. 2013, 3(1): 1-6.

6. Li ZY, Palacios E, Butun S, Aydin K. Visible-Frequency Metasurfaces for Broadband Anomalous Reflection and High-Efficiency Spectrum Splitting. Nano Lett. 2015, 15(3): 1615-1621.

7. Sun S, Yang KY, Wang CM, Juan TK, Chen WT, Liao CY, et al. High-efficiency broadband anomalous reflection by gradient meta-surfaces. Nano Lett. 2012, 12(12): 6223-6229.

8. Gao S, Yue W, Park C-S, Lee S-S, Kim E-S, Choi D-Y. Aluminum Plasmonic Metasurface Enabling a Wavelength-Insensitive Phase Gradient for Linearly Polarized Visible Light. ACS Photonics 2017, 4(2): 322-328.

9. Gao S, Lee SS, Kim ES, Choi DY. Vertically integrated visible and near-infrared metasurfaces enabling an ultra-broadband and highly angle-resolved anomalous reflection. Nanoscale 2018, 10(26): 12453-12460.

10. Asadchy VS, Wickberg A, Diaz-Rubio A, Wegener M. Eliminating Scattering Loss in Anomalously Reflecting Optical Metasurfaces. ACS Photonics 2017, 4(5): 1264-1270.

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