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在光学和光子学领域，基于超表面的光束扫描设备备受关注，但实现完美反常折射（效率 > 99%）颇具挑战。研究人员开展了基于准三维亚波长结构（Q3D-SWS）实现完美反常折射及半空间光束扫描的研究，实验展示了 144°×144° 的视野和超 86% 的效率，为光探测和测距系统发展开辟新途径。
在光学和光子学的奇妙世界里，超表面（metasurfaces）就像拥有神奇魔力的 “光学魔法师”，它能突破自然材料的限制，对光进行各种独特的操控。基于超表面的光束扫描设备更是潜力无限，在大气监测、自动驾驶、机器人感知等众多领域都有广阔的应用前景。然而，这个 “魔法师” 目前还面临着一个棘手的难题：实现完美反常折射（效率大于 99%）困难重重。这一难题严重制约了基于超表面的光束扫描设备的效率和视野（field of view，FOV），就像给 “魔法师” 戴上了沉重的枷锁，限制了它施展更强大的魔法。
为了攻克这个难题，来自同济大学的研究人员挺身而出，开展了一项极具创新性的研究。他们提出了一种全新的范式，通过增强纵向自由度引发多重散射过程来优化对称破缺，进而实现完美反常折射。研究人员精心构建了一种全介质准三维亚波长结构（quasi-three-dimensional subwavelength structure，Q3D-SWS），它由经过特殊设计的多层膜和介电超表面通过间隔层隔开组成。通过这种巧妙的设计，成功消除了反射损失和杂散衍射，实现了超过 99% 的反常折射效率。不仅如此，研究人员还通过独立旋转两个级联的 Q3D-SWS，在实验中展示了半空间光束扫描，获得了 144°×144° 的广阔视野，最大效率超过 86%。这一研究成果意义非凡，它为高效超表面的发展开辟了新的道路，有望推动光探测和测距（light detection and ranging，LiDAR）系统取得重大进展，就像为 “魔法师” 解开了束缚，让它能够在更多领域发挥神奇的作用。该研究成果发表在《Nature Communications》上。
在这项研究中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先是材料制备技术，采用磁控溅射沉积、电子束光刻和感应耦合反应离子刻蚀分别进行多层膜、间隔层和超表面的沉积、图案化和刻蚀；其次是光学实验技术，利用超连续谱光源产生宽带入射光，经准直和滤波后进行实验，并通过特殊的实验装置对光束扫描进行演示和测量。
研究结果主要包括以下几个方面：
- 准三维亚波长结构实现完美反常折射的模型和理论：研究人员提出通过增强纵向自由度优化对称破缺的概念，构建 Q3D-SWS。该结构的反常折射过程可看作多重散射，通过设计多层膜和超表面的参数，使反射系数和透射系数满足特定条件，从而实现完美反常折射。理论分析表明，多层膜的反射系数对反常反射和折射效率影响显著，合理设计多层膜的反射幅度和相位可抑制反射损失和杂散衍射。
- 准三维亚波长结构的设计与表征：设计 Q3D-SWS 分两步，先设计梯度超表面获得高相对效率，再设计多层膜抑制反射损失。实验中，梯度超表面在 1550nm 处 TE 偏振相对效率达 95%，但绝对效率仅 76%，存在反射损失和杂散衍射。通过优化多层膜参数，最终实现了 Q3D-SWS 在 1550nm 处 TE 和 TM 偏振的完美反常折射，相对和绝对效率均达到 99%。制备的 Q3D-SWS 样品经测试，在 1350nm 处反常折射效率最高达 93%，1550nm 处为 47%，实验与设计的偏差主要源于光刻和刻蚀过程中的制造误差。
- 基于级联准三维亚波长结构的光束扫描演示：研究人员利用非共轴光束扫描系统，通过旋转两个相同的 Q3D-SWS 实现半空间光束扫描。实验发现，选择 1350nm 波长可减少杂散衍射影响，此时最大扫描角度约 36°，最大仰角达 72°，对应 144°×144° 的视野，光束扫描系统最大光学效率可达约 86.5%。此外，两个 Q3D-SWS 的旋转速度比会影响扫描图案的密度和形状，实际应用中需根据扫描分辨率和速度要求进行选择。
研究结论表明，研究人员首次通过构建全介质 Q3D-SWS 实现了完美反常折射，其偏振不敏感绝对效率超过 99%。同时，实验展示了基于级联 Q3D-SWS 的非共轴光束扫描系统，获得了高扫描效率和大视野。这一研究成果为高效超表面的发展提供了新的思路和方法，有望推动 LiDAR 系统及相关领域的技术革新，在未来的光学和光子学应用中具有巨大的潜力。
