同济大学在高效率光学超表面器件研究中取得进展

      在国家自然科学基金项目等资助下，同济大学物理科学与工程学院程鑫彬教授和王占山教授团队，联合复旦大学物理系周磊教授团队在超表面高效操纵电磁波领域取得进展，相关研究成果“光频完美异常反射器件（Perfect anomalous reflectors at optical frequencies）”于3月2日发表于重要学术期刊《科学进展》（Science Advances）。

图1 超反射面的非局部响应模型：超表面上方的能量流分布决定了光的反射。不完全异常反射的能量流分布由一阶振荡和二阶振荡组成，而完全异常反射的能量流分布仅由一阶振荡组成。超表面上方的能量流分布是通过横向能量转移来调节的。

      近年来，超表面由于损耗低、可制备、易集成等特点而成为电磁波调控研究的新平台。超表面已经展示了丰富的光波调控能力，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。

      异常偏折是超表面调控光波最基本的方式之一，也是各种复杂电磁调控和应用的基础，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均低于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。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，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，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。

      针对上述问题，研究团队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。

图2 通过优化设计复杂的功能。(A)与偏振无关的完美异常反射和(B)与偏振相关的反射镜示意图。(C)与偏振无关的完全反常反射和(D)与偏振相关的反射镜的对应光谱。(B)中结构的镜面反射为100%的横向电极化(TE)。

      该研究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。