近日，中科院光電技術研究所——光場調控科學技術全國重點實驗室研究人員提出了折疊路徑超構表面概念，首次實現(xiàn)自旋解耦色散調控，同時該原理可拓展至任意正交偏振色散獨立調控。與傳統(tǒng)改變結構幾何形狀控制等效折射率的方法不同，該原理通過調控虛擬反射面產(chǎn)生的等效路徑長度實現(xiàn)色散調控。這一進展拓寬了基于超構表面的自旋光子學的潛力，將其應用從空間域擴展到時空域。

該工作以“Dispersion-engineered spin photonics based on folded-path metasurfaces”為題，發(fā)表在國際光學頂尖期刊《Light: Science & Applications》。

自旋光子學是一個快速發(fā)展的前沿領域，通過利用光子的自旋與偏振特性實現(xiàn)復雜信息處理與傳輸，其中自旋解耦超構表面在光場精密調控中占據(jù)核心地位。但現(xiàn)有技術存在明顯局限——此類超構表面主要限于單波長或窄帶應用，其根本挑戰(zhàn)源于缺乏寬帶調控所需的色散控制。當前色散調控方法大多具有自旋無關性或僅適用單一自旋態(tài)，而亞波長尺度下相反自旋態(tài)的獨立色散調控長期未能突破，阻礙了該領域向寬帶解耦與高集成方向的跨越。

為解決上述問題，中國科學院光電技術研究所——光場調控科學技術全國重點實驗室研究人員提出折疊路徑超構表面概念（如圖1所示），通過亞波長尺度的局域干涉效應折疊光路，修改其等效路徑長度調控亞波長結構的色散特性，與過往依賴改變結構幾何形狀進行等效折射率調控的傳統(tǒng)方法相比具有獨特的優(yōu)勢。

圖片:搜狗截圖20250623121309.png

圖1.基于折疊路徑超構表面的色散控制原理

該創(chuàng)新的關鍵在于在保持結構高度恒定的前提下，通過偏振解耦的局域干涉調控正交偏振態(tài)入射下的等效路徑長度，進而實現(xiàn)了偏振解耦的色散調控。為實現(xiàn)此類偏振解耦的局域干涉效應，研究團隊采用超級單元結構，如圖2(a)所示。該超級單元由一對交錯排列的孿生納米柱（A和B）構成，形成局域干涉系統(tǒng)，在亞波長結構上方產(chǎn)生虛擬反射面。虛擬反射面的反射率取決于相鄰納米柱之間的相位差，通過調控該相位差產(chǎn)生相長和相消干涉現(xiàn)象，虛擬反射率可在0%至100%變化。此物理機制下，部分反射光穿透虛擬反射面進入自由空間，其余能量則被反射回由超級單元陣列和金屬層構建的諧振腔結構中。因此，等效路徑長度可以被調控，從而調控其色散特性，如圖2(b)所示。圖2(c-e)驗證了三對正交偏振態(tài)的獨立色散調控，分別對應正交線偏振、正交圓偏振和正交橢圓偏振。以正交圓偏振態(tài)為例，可以看到對于第一種超級單元（實線框內的結構），當左旋偏振態(tài)入射時，納米柱A和B之間的相位差為0。而對于右旋偏振態(tài)，相位差為π，從而產(chǎn)生虛擬反射面。等效路徑長度增加使其具有更大的群延遲，如圖2(e)中的紅色實線所示。相反，對于第二種超級單元（虛線框內的結構），無論入射的偏振態(tài)是左旋圓偏振態(tài)還是右旋偏振態(tài)，納米柱之間的相位差保持為0，導致幾乎相同的群延遲，如藍色和紅色虛線所示。

圖片:搜狗截圖20250623121345.png

圖2.超構表面結構與原理驗證

基于該原理設計的超構表面能實現(xiàn)新穎的功能，例如僅通過調控結構旋向實現(xiàn)寬帶消色差聚焦和消色差自旋霍爾效應，以及單個超構表面生成時空矢量光場。如圖3所示為僅通過調控結構旋向實現(xiàn)寬帶消色差聚焦，該超構透鏡與以往依賴改變納米柱尺寸的消色差超構透鏡不同，每個晶格的唯一設計參數(shù)是納米柱的旋向角。如圖3(a)所示，納米柱的旋向角θ主要被用來以幾何相位原理實現(xiàn)聚焦相位，而旋向角的差值α用來調控色散，使各頻率的波前符合理想聚焦相位。圖3(b)和(c)展示了旋向角θ和α的空間分布。圖3(d)對比了數(shù)值仿真與實驗測量的xoz截面光強分布，展現(xiàn)出該超構透鏡具有連續(xù)寬帶消色差聚焦能力。

圖片:搜狗截圖20250623121606.png

圖3.僅靠旋轉自由度實現(xiàn)的消色差聚焦

研究團隊提出的折疊路徑超構表面可獨立地調控任意正交偏振態(tài)的色散特性與相位分布，這一突破性能力源自對超構表面色散調控原理的創(chuàng)新。該超構表面平臺有望為集成化自旋復用器件開拓新可能，在寬帶偏振光學器件、高維信息編碼系統(tǒng)以及時空光場調控等應用有重要意義。

相關鏈接：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01850-w