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(xiàn)了自然界結(jié)構(gòu)對光場的最普適以及最高自由度的調(diào)控。相關(guān)研究發(fā)表于Nature Communications。

超構(gòu)表面是一種能在亞波長厚度范圍內(nèi)對光場的偏振、振幅、相位進行靈活調(diào)控的人工設(shè)計的新型結(jié)構(gòu)，被廣泛用于各種微納結(jié)構(gòu)功能器件中，實現(xiàn)諸如全息成像、平面透鏡、信息加密等功能。超構(gòu)表面概念自2011年被提出后，已有約五萬篇相關(guān)文章發(fā)表，包括了各種各樣的光場調(diào)控功能和器件。這些光場調(diào)控看似功能迥異、各有不同，但在數(shù)學上都可以用一個2×2的瓊斯矩陣統(tǒng)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(diào)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(diào)控能力，共包含8個參數(shù)自由度。能調(diào)控的自由度越多，意味著對光場的調(diào)控能力越強，實現(xiàn)的功能也越豐富。對于單層結(jié)構(gòu)，由于平面結(jié)構(gòu)的對稱性，其自由度最多只能達到6個。在前期的工作中（Sci. Adv. 2021, 7, eabh0365），李寶軍團隊突破傳統(tǒng)超構(gòu)表面設(shè)計方法限制，實現(xiàn)了6個自由度上限的單層超構(gòu)表面的瓊斯矩陣光場調(diào)控。

具有8個參數(shù)自由度的瓊斯矩陣和先進光場調(diào)控的應(yīng)用示例

具有8個參數(shù)自由度的瓊斯矩陣設(shè)計和測量結(jié)果

在該項工作中，李寶軍團隊基于雙層超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)，結(jié)合梯度下降算法和巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了自然界中結(jié)構(gòu)所能達到的最大8個自由度的光場調(diào)控，并且給出傳統(tǒng)設(shè)計方法所不能實現(xiàn)的光場調(diào)控功能，諸如：實現(xiàn)了對任意兩種偏振態(tài)（可非正交）振幅和相位的獨立調(diào)控；引入雙層結(jié)構(gòu)之間旋轉(zhuǎn)自由度，與4種入射及探測偏振態(tài)相結(jié)合，實現(xiàn)了高達16種的獨立全息圖像。

基于瓊斯矩陣和8個參數(shù)自由度的任意兩種偏振態(tài)集的獨立振幅和相位控制的實驗演示

該項工作的重要意義在于首次實現(xiàn)了自然界結(jié)構(gòu)對光場的最普適以及最高自由度的調(diào)控，從而為自然界所允許的任意復雜光學功能的實現(xiàn)奠定了很好的基礎(chǔ)。

上述研究得到了國家自然科學基金面上項目、國家自然科學基金重大研究計劃培育項目、廣東省杰出青年基金等項目的資助。

論文信息：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-35313-2

審核編輯 ：李倩