基于全介质各向异性亚波长结构的偏振不敏感窄带反射波前操控研究

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

本研究针对传统光学系统中窄带波前操控依赖复杂组件的问题，提出了一种基于全介质各向异性亚波长结构的反射型偏振不敏感窄带波前操控平台，实现了特定波长的波前重塑与空间分离，具有高效率、高Q因子和对制造误差的高鲁棒性，为光学系统的小型化和功能集成提供了新思路。

　　在现代光学技术中，实现窄带波前操控对于超快空间光调制、光谱成像、定制光发射和光学计算等领域至关重要。然而，传统的窄带波前操控依赖于包含多个组件（如滤光片和透镜）的庞大光学系统，这限制了光学系统的集成度和小型化。近年来，超表面技术的发展为解决这一问题提供了新的可能。超表面能够通过二维波前操控实现对光的精确控制，但现有的超表面技术在窄带波前操控方面仍面临一些挑战。例如，基于传播相和几何相的超表面虽然能够实现宽带波前工程，但在窄带波前操控方面潜力有限；而基于共振相的超表面虽然能够实现窄带相位分布，但在高效率下难以实现宽带传输，且在窄带波前操控中存在波长选择性不足的问题。

为了解决这些问题，华南师范大学的研究人员提出了一种基于全介质各向异性亚波长结构的反射型偏振不敏感窄带波前操控平台。该平台利用硅纳米块作为窄带反射半波片，通过基本的Mie共振实现高效的相位控制和高偏振转换比（PCR），并能够通过调整旋转角度破坏几何相位共轭，实现偏振不敏感的应用。研究人员通过数值模拟展示了该平台在偏振不敏感窄带反射光束偏转和金属透镜中的应用，证明了其在窄带反射光谱内具有高相对聚焦效率（0.7）和对入射角变化（高达28°）以及制造误差的高鲁棒性。

在研究过程中，研究人员采用了ANSYS Lumerical FDTD软件进行光学响应的数值模拟，利用完美匹配层（PML）边界条件和周期性边界条件来模拟实际的光学环境。通过粒子群优化（PSO）算法优化了硅纳米块的尺寸参数，以实现高反射率和偏振转换效率。此外，研究人员还通过COMSOL Multiphysics软件进行多极分解和本征模态分析，验证了FDTD模拟结果的准确性。

研究结果表明，该全介质超表面平台在特定波长下能够实现高效的波前重塑和空间分离，同时保持对其他波长的高透过率。通过调整纳米块的旋转角度，研究人员实现了从0到π的相位调制，且在窄带反射光谱内保持了偏振不敏感的特性。在偏振不敏感窄带反射光束偏转的模拟中，研究人员设计了一个简单的超表面结构，通过旋转单个纳米块实现了两个离散的相位水平，成功实现了光束的偏转，并且在窄带反射光谱内保持了高Q因子（14.4）和高偏振转换效率。在偏振不敏感窄带反射金属透镜的模拟中，研究人员设计了一个具有12.5 mm口径和0.26数值孔径（NA）的金属透镜，通过优化超表面的相位分布，实现了在窄带反射光谱内的高效聚焦，其相对聚焦效率达到了0.7，绝对聚焦效率在反射带内超过了0.2，最大值约为0.4。

在讨论部分，研究人员指出，该设计具有以下重要意义：首先，它实现了偏振不敏感的波前操控，打破了传统几何相位超表面的偏振依赖性；其次，该平台在保持高Q因子的同时，实现了高效率的波前操控，这对于实际应用中的光学系统小型化和功能集成具有重要意义；最后，该设计对制造误差具有较高的鲁棒性，这使得其在实际制造和应用中更具可行性。此外，研究人员还指出，尽管该设计在窄带波前操控方面取得了显著进展，但仍存在一些局限性，如由于邻近单元之间的耦合效应，反射峰会发生蓝移和强度降低，Q因子也会略有降低。这些问题可以通过更全面的耦合分析和全局优化来解决，但需要大量的计算资源。此外，研究人员还提到，该设计的金属透镜口径受到计算能力的限制，未来可以通过进一步优化设计和制造工艺来提高其性能。

总的来说，这项研究为实现高效、偏振不敏感的窄带波前操控提供了一种新的方法，有望在光学成像、光通信和光学计算等领域得到广泛应用。该研究成果发表在《iScience》杂志上，为光学超表面技术的发展和应用提供了重要的参考。