功能動(dòng)態(tài)可調(diào)的超表面在光學(xué)系統(tǒng)受到廣泛關(guān)注，在激光雷達(dá)、裸眼3D顯示、OAM(orbital angular momentum，角動(dòng)量)光束復(fù)用/解復(fù)用、變焦超透鏡等諸多場(chǎng)景中具有廣泛的應(yīng)用潛力。已有可調(diào)超表面的主要實(shí)現(xiàn)方式為使用電光、機(jī)械、相變等機(jī)制，從而在亞波長(zhǎng)尺度重構(gòu)超表面的結(jié)構(gòu)。然而，逐像素的電光調(diào)制需要復(fù)雜的電極排布，規(guī)模難以擴(kuò)展;機(jī)械、相變等機(jī)制可實(shí)現(xiàn)的功能和通道數(shù)受限。另外一種控制方式則是改變?nèi)肷涔獾男再|(zhì)，而不重構(gòu)超表面本身，包括角度、波長(zhǎng)、OAM、偏振等。這種方式的可調(diào)自由度往往受限，因此可實(shí)現(xiàn)的功能和通道數(shù)依舊受限，如何進(jìn)一步拓展可調(diào)超表面的功能通道數(shù)目仍是亟待解決的難題。

　　近日，清華大學(xué)電子工程系黃翊東教授團(tuán)隊(duì)馮雪副教授的研究小組在超表面的多通道可調(diào)光場(chǎng)操控方面取得研究進(jìn)展。他們提出了一種利用N層偏振相關(guān)超表面結(jié)合偏振控制器的級(jí)聯(lián)架構(gòu)，將偏振相關(guān)超表面的可調(diào)通道數(shù)由2個(gè)提升至2N個(gè)，并且原理上無(wú)內(nèi)稟損耗和串?dāng)_，適用的功能包括動(dòng)態(tài)波束偏轉(zhuǎn)、動(dòng)態(tài)可調(diào)階次的渦旋光束產(chǎn)生、變焦超透鏡等。實(shí)驗(yàn)上通過(guò)3層超表面結(jié)合液晶偏振延遲器的級(jí)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了8通道可調(diào)階次的渦旋光束產(chǎn)生以及8通道動(dòng)態(tài)波束偏轉(zhuǎn)，同時(shí)支持電調(diào)切換，驗(yàn)證了該架構(gòu)的可行性。

圖1.N層偏振相關(guān)超表面結(jié)合偏振控制器的級(jí)聯(lián)架構(gòu)示意圖

　　由于偏振自由度僅為2的限制，在不引入其他元件或串?dāng)_的情況下，無(wú)法通過(guò)單個(gè)偏振相關(guān)超表面實(shí)現(xiàn)超過(guò)2個(gè)的獨(dú)立通道。因此，偏振相關(guān)超表面的可調(diào)通道數(shù)量難以得到突破，限制了其可擴(kuò)展性和應(yīng)用潛力。

　　為了提升通道數(shù)量，研究團(tuán)隊(duì)采用N個(gè)偏振相關(guān)超表面進(jìn)行級(jí)聯(lián)，同時(shí)在每個(gè)超表面前增加一個(gè)偏振控制器，使得該超表面的輸入光可在2個(gè)正交偏振態(tài)間切換。此時(shí)，整個(gè)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中的光偏振態(tài)將具有2N種組合，對(duì)應(yīng)的等效波前操控模板也具有2N種情況。然而，這些模板間具有相關(guān)性，自由度僅為N+1，無(wú)法對(duì)應(yīng)2N個(gè)任意的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，對(duì)于特定功能(波束偏轉(zhuǎn)、渦旋光束產(chǎn)生、透鏡)所需的波前操控模板，同類功能級(jí)聯(lián)疊加后依舊是該類功能，而對(duì)應(yīng)參數(shù)(偏轉(zhuǎn)角正弦值、拓?fù)浜蓴?shù)、焦距倒數(shù))在此過(guò)程中加法疊加。因此，如果級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中所有超表面的所有偏振通道都設(shè)置為同類功能且參數(shù)不同，則級(jí)聯(lián)后的2N種波前操控功能也均為該類功能，且具有各不相同的參數(shù)，由此可以設(shè)計(jì)出2N個(gè)不同且無(wú)串?dāng)_的功能通道。

　　實(shí)驗(yàn)上，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)3層超表面的級(jí)聯(lián)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了8通道可調(diào)階次的渦旋光束產(chǎn)生以及8通道動(dòng)態(tài)波束偏轉(zhuǎn)，對(duì)上述方案進(jìn)行了驗(yàn)證?；诓煌某砻婕?jí)聯(lián)組合，渦旋光束的拓?fù)浜蓴?shù)(topological charge, TC)可在l=-3~+4或l=-1~-8間切換，前者效率在31.6%~33.7%范圍內(nèi)。波束偏轉(zhuǎn)的方向可按8×1一維排列或4×2二維排列，效率均在15%~25%范圍內(nèi)。同時(shí)，所使用的偏振控制器均為可電調(diào)的液晶偏振延遲器(liquid crystal phase retarder)，因此該實(shí)驗(yàn)架構(gòu)可以電調(diào)切換通道。

圖2.8通道可調(diào)階次的渦旋光束產(chǎn)生架構(gòu)示意圖及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3. 8通道動(dòng)態(tài)波束偏轉(zhuǎn)架構(gòu)示意圖及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　9月27日，相關(guān)研究成果以“基于N層級(jí)聯(lián)偏振相關(guān)超表面的可電調(diào)2N通道特定功能波前操控”(Electrically switchable 2N-channel wave-front control for certain functionalities with N cascaded polarization-dependent metasurfaces)為題，在線發(fā)表于《自然·通訊》(Nature Communications)。

　　清華大學(xué)電子工程系黃翊東教授團(tuán)隊(duì)2020級(jí)博士生馬致遙為論文第一作者，馮雪副教授和黃翊東教授為論文通訊作者。研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。

　　論文鏈接：

　　https://doi.org/10.1038/s41467-024-52676-w