基于全介质各向异性亚波长结构的偏振无关窄带反射波前操控：突破与创新

《iScience》：Polarization-insensitive narrowband reflective wavefront manipulation through all-dielectric anisotropic subwavelength structures

在窄带波前操控领域，传统方法依赖复杂光学系统。研究人员开展 “偏振无关窄带反射波前操控” 研究，利用全介质各向异性亚波长结构，实现同时相位控制与光谱滤波，该成果为光学系统微型化及多功能化带来新可能。

　　

一、研究背景

在光学领域，窄带波前操控在超快空间光调制、光谱成像、定制光发射和光学计算等众多前沿应用中至关重要。以往实现这一操控，常需依赖由多个滤波器和透镜等组件构成的庞大光学系统，不仅体积庞大，而且操作复杂。

近年来，超表面（Metasurface）凭借其独特的二维波前操控能力，为光学领域带来了革命性的变化。它在片上全息、动态光束转向、平面透镜成像等方面展现出巨大潜力，尤其是全介质超表面，因其低损耗特性，发展尤为迅速。通过对纳米结构进行图案化处理，全介质超表面能够借助共振、传播和几何相位，实现对波前的任意控制。

然而，当前的超表面技术仍存在诸多挑战。基于传播相位和几何相位的超表面虽能实现宽带波前工程，但在窄带波前操控方面表现不佳；而利用共振相位的惠更斯超表面，虽能实现窄带相位分布，却难以在高效的同时避免宽带传输问题。此外，传统的超表面在实现偏振无关的波前操控时，往往面临品质因子（Q factor，定义为频率与光谱宽度之比）较低、需要额外的偏振光学元件等问题。在非局部共振方案中，虽然能够实现高品质因子的窄带光谱响应，但波前工程的灵活性却受到非局部共振相关的全局相位梯度的限制，并且通常需要较大的照明孔径，效率也较低。

为了解决这些问题，科研人员迫切需要寻找一种新的方法，实现高效的窄带波前操控，同时具备偏振无关、高鲁棒性等特性。

二、研究概况

为了攻克上述难题，来自季华实验室、华南师范大学等机构的研究人员开展了深入研究。他们提出了一种基于全介质各向异性亚波长结构的反射式全介质超表面平台，旨在实现同时的局部相位控制和光谱滤波。该研究成果发表在《iScience》杂志上。

在研究中，科研人员主要运用了数值模拟的方法，通过 ANSYS Lumerical FDTD 软件对纳米结构的光学响应进行模拟，同时利用 COMSOL Multiphysics 软件进行特征模分析，以验证分解结果。此外，还采用粒子群优化（PSO）算法对超原子的尺寸进行优化。

三、研究结果

1. 原理与设计：研究人员利用双折射米氏谐振器的面内旋转所诱导的潘查拉特纳 - 贝里（Pancharatnam-Berry，PB）相位来实现窄带反射。通过求解特定方程，破坏几何相位共轭，从而实现偏振无关的波前操控。为了满足高效 PB 相位控制的条件，设计的超表面由在透明衬底上图案化的亚波长硅矩形纳米块组成，其尺寸经过优化，以实现理想的半波片（HWP）功能。
2. 频率选择性反射半波片：实验结果表明，该结构在 932nm 波长处反射率达到 0.95，在 934nm 波长处交叉偏振反射率峰值约为 0.87，品质因子超过 20。此外，该半波片的偏振纯度和偏振转换效率在 940nm 时分别达到 0.95 和 0.97，且对入射角的变化具有较高的稳定性。
3. 窄带反射光谱内的相位调制：对于右旋圆偏振（RCP）入射，反射光谱与 45° 线偏振入射时相似，交叉偏振分量（左旋圆偏振，LCP）在反射中占主导地位。通过空间变化超原子的面内取向，反射相位近似等于面内旋转角度的负值的两倍，实现了基于 PB 相位的相位调制。
4. 偏振无关窄带反射偏转器：研究人员通过数值模拟展示了一种偏振无关的窄带反射偏转器。通过将相位轮廓离散化为两个或四个级别，并引入额外的具有特定共振相位的单元，成功实现了偏振无关的窄带反射偏转，且保持了较高的品质因子。
5. 偏振无关窄带反射金属透镜：研究还展示了一种偏振无关的窄带反射金属透镜。在任意偏振的垂直入射下，特定波长的光被反射并聚焦，而其他波长的光则透过衬底。该金属透镜的孔径为 12.5×12.5μm2，焦距为 25mm，相对聚焦效率约为 0.7，绝对聚焦效率在反射带内超过 0.2，具有较高的成像质量。

四、研究结论与意义

本研究通过数值模拟成功实现了基于介电超表面平台的窄带反射局部波前操控。该超原子被优化为窄带反射半波片，具有高 Q 因子、近 unity 峰值反射和高 PCR 等优点。通过空间变化超原子的面内取向，结合共振相位，实现了所需的局部相位调制。作为概念验证，展示了偏振无关窄带反射偏转器和金属透镜的模拟结果，金属透镜具有较高的数值孔径（NA = 0.26）和聚焦效率。

与先前的研究相比，该设计具有诸多优势。在偏振无关波前操控方面，打破了几何相位的螺旋共轭，实现了真正的偏振无关；在效率上，高于非局部超表面，超过 50%；在数值孔径方面，能够实现更大的 NA，是一些非局部超表面的两倍。此外，该设计对制造误差具有很强的鲁棒性，减少了制造误差对光学性能的影响，更易于大规模和批量制造。

然而，研究也存在一些局限性。例如，相邻元件之间的弱耦合会导致反射峰蓝移、强度降低和 Q 因子略有下降，金属透镜的孔径受到计算能力的限制，且与商业彩色滤光片相比，Q 因子仍不够高。未来，可以通过更全面的耦合分析和全局优化来解决这些问题，同时需要进一步提高薄膜沉积的质量和精确控制尺寸，以实现与模拟结果更接近的实验效果。

总体而言，该研究成果为窄带波前操控提供了一种新的解决方案，为实现先进的光学功能和拓展超表面技术的应用范围奠定了坚实的基础，在光学领域具有重要的理论意义和实际应用价值。