近日，中科院光電技術(shù)研究所——光場調(diào)控科學(xué)技術(shù)全國重點實驗室研究人員提出了折疊路徑超構(gòu)表面概念，首次實現(xiàn)自旋解耦色散調(diào)控，同時該原理可拓展至任意正交偏振色散獨立調(diào)控。與傳統(tǒng)改變結(jié)構(gòu)幾何形狀控制等效折射率的方法不同，該原理通過調(diào)控虛擬反射面產(chǎn)生的等效路徑長度實現(xiàn)色散調(diào)控。這一進展拓寬了基于超構(gòu)表面的自旋光子學(xué)的潛力，將其應(yīng)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(xué)頂尖期刊《Light: Science & Applications》。

自旋光子學(xué)是一個快速發(fā)展的前沿領(lǐng)域，通過利用光子的自旋與偏振特性實現(xiàn)復(fù)雜信息處理與傳輸，其中自旋解耦超構(gòu)表面在光場精密調(diào)控中占據(jù)核心地位。但現(xiàn)有技術(shù)存在明顯局限——此類超構(gòu)表面主要限于單波長或窄帶應(yīng)用，其根本挑戰(zhàn)源于缺乏寬帶調(diào)控所需的色散控制。當(dāng)前色散調(diào)控方法大多具有自旋無關(guān)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(diào)控長期未能突破，阻礙了該領(lǐng)域向?qū)拵Ы怦钆c高集成方向的跨越。

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

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圖1.基于折疊路徑超構(gòu)表面的色散控制原理

該創(chuàng)新的關(guān)鍵在于在保持結(jié)構(gòu)高度恒定的前提下，通過偏振解耦的局域干涉調(diào)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(diào)控。為實現(xiàn)此類偏振解耦的局域干涉效應(yīng)，研究團隊采用超級單元結(jié)構(gòu)，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(gòu)成，形成局域干涉系統(tǒng)，在亞波長結(jié)構(gòu)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(diào)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(gòu)建的諧振腔結(jié)構(gòu)中。因此，等效路徑長度可以被調(diào)控，從而調(diào)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(diào)控，分別對應(yīng)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(nèi)的結(jié)構(gòu)），當(dāng)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(nèi)的結(jié)構(gòu)），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(dǎo)致幾乎相同的群延遲，如藍色和紅色虛線所示。

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圖2.超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)與原理驗證

基于該原理設(shè)計的超構(gòu)表面能實現(xiàn)新穎的功能，例如僅通過調(diào)控結(jié)構(gòu)旋向?qū)崿F(xiàn)寬帶消色差聚焦和消色差自旋霍爾效應(yīng)，以及單個超構(gòu)表面生成時空矢量光場。如圖3所示為僅通過調(diào)控結(jié)構(gòu)旋向?qū)崿F(xiàn)寬帶消色差聚焦，該超構(gòu)透鏡與以往依賴改變納米柱尺寸的消色差超構(gòu)透鏡不同，每個晶格的唯一設(shè)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(diào)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(gòu)透鏡具有連續(xù)寬帶消色差聚焦能力。

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圖3.僅靠旋轉(zhuǎn)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(gòu)表面可獨立地調(diào)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(gòu)表面色散調(diào)控原理的創(chuàng)新。該超構(gòu)表面平臺有望為集成化自旋復(fù)用器件開拓新可能，在寬帶偏振光學(xué)器件、高維信息編碼系統(tǒng)以及時空光場調(diào)控等應(yīng)用有重要意義。

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