撰稿 | Brooke（中科院長春光機所）

超表面是一種由平面型人工原子按特定宏觀排列方式構建而成的二維超材料，能夠在亞波長尺度下調控光波的振幅，相位和偏振等特性，已經展示了豐富的光波調控能力，如光波異常偏折、色散補償、超透鏡成像、全息成像等等。超表面還具有損耗低、可制備、易集成等特點，成為電磁波調控研究的新平臺。

盡管超表面具有優異的光波調控能力，但調控效率低一直是光學超表面的瓶頸問題之一，這也成為制約光學超表面走向實用化甚至商業化的關鍵因素。異常偏折（如圖 1）是超表面調控光波最基本的方式之一，也是各種復雜光波調控和應用的基礎，如超透鏡、光譜儀、激光雷達等。目前光學超表面器件的異常偏折效率低于 90%，難以滿足其在激光領域應用時效率優于 99% 的需求，亟待突破異常偏折效率的科學認識，創新調控方法，獲得光頻完美異常偏折器件。

圖 1：均勻分界面的折反射和超表面的異常偏折

超表面異常偏折效率的科學認識主要經歷了兩個階段：早期研究利用相位梯度控制光束異常偏折的方向[1]，[2]，但僅考慮相位梯度無法給出光束異常偏折的多少，導致難以實現效率接近 100% 的完美異常偏折；近期研究指出完美異常偏折需要相位和振幅的協同調控[3]，[4]，特別是振幅調控需要在超表面不同區域同時實現增益和損耗，這對光頻超表面異常偏折的設計提出了全新的挑戰，尚無解決方案。

鑒于此，同濟大學物理科學與工程學院 程鑫彬 教授和 王占山 教授聯合復旦大學物理學系 周磊教授，從完美異常反射的物理要求出發，首先闡明了完美異常反射所需要的能流分布形式，提出了一維多層膜結合二維超表面的準三維亞波長新結構，通過準三維結構內傳輸波和布洛赫波的高效耦合，增強了多重散射并提高了非局域能流調控能力，在 1550 納米實現了國際上效率最高的、效率優于 99% 的光頻異常反射。

該成果以“Perfect anomalous reflectors at optical frequencies”為題發表在 Science Advances 期刊。同濟大學 王占山 教授，復旦大學 周磊 教授，同濟大學 程鑫彬 教授為論文共同通訊作者，同濟大學博士后 何濤，復旦大學博士研究生 劉通 為論文的共同一作，對論文具有突出貢獻的合作者還包括上海大學 肖詩逸 教授，同濟大學 魏澤勇 副教授。

論文首先從完美異常反射的物理要求出發，給出了實現完美異常反射的能流分布要求：抑制能流分布的二階項，同時匹配一階項（如圖 2）。在一個無源且無損耗的無透射系統中，可以使用系統內部的橫向能流調控來獲得所需的能流分布。

圖 2：完美異常反射的能流分布要求

傳統的金屬超表面和介質超表面受限于吸收（透射）損耗和（或）橫向能流調控能力不足，難以實現完美異常反射。論文提出了一維多層膜結合二維超表面的準三維亞波長新結構，由于電磁波與結構的相互作用，入射光被高效地耦合進超表面結構內部的布洛赫波和間隔層內部的傳輸波中，通過控制不同階數電磁波復雜的多重散射，增強了整個系統橫向能流的調控能力，如圖 3 所示。進一步分析結構內的場分布，發現可以利用多層膜的反射振幅和相位對布洛赫波及傳輸波產生的橫向能流進行調控，從而實現完美異常反射需要的能流分布。

圖 3：準三維亞波長結構實現完美異常反射：利用多層膜的振幅和相位調控橫向能流

以正入射情況下的 40° 完美異常反射為例，介紹了準三維亞波長結構實現完美異常反射的設計理念和方法。考慮到 40° 完美異常反射的相位要求仍然接近線性梯度且需要抑制透射損耗，因此采用梯度超表面和高反射薄膜作為初始結構，在此基礎上通過改變多層膜的相位響應 ?? 和 ?? 來實現完美異常反射所需的能流分布。設計了符合反射振幅和相位要求的多層膜與超表面構成的準三維亞波長結構，實現了效率優于 99% 的光頻異常反射（如圖 4）。使用磁控濺射技術制備了多層膜和電子束直寫技術制造了超表面，得到了結構如圖 4 的準三維亞波長器件樣品，樣品異常偏折的測試效率高達 98%。實驗和理論設計吻合良好，這也驗證了制備和測試結果的準確性和可靠性。

圖 4：樣品 SEM 側視圖以及截面圖和光譜測試結果

論文在 1550 納米實現了迄今為止國際上最高的光頻異常反射效率。除此之外，論文還設計了偏振無關和偏振選擇的完美異常反射器件，展示了準三維亞波長結構強大的效率調控能力和潛力。研究工作得到了國家自然科學基金委員會，上海推進科技創新中心建設辦公室，上海市教育委員會，上海市科學技術委員會的支持。

圖 5：光頻異常反射效率對比 [5]， [6]， [7]， [8]， [9]， [10]

前景展望

該工作以光學超表面實用化的需求為導向，解決了“效率低”這個限制其走向應用的“卡脖子”問題，有望推動基于光學超表面的微型光譜儀、輕薄激光雷達等儀器裝備的跨越式發展。

論文信息

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

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