南京大学在新光学材料研究方面取得进展

近日，南京大学物理学院赖耘教授、彭茹雯教授和王牧教授合作团队，利用新型超表面实现了全可见光波段的极端不对称光散射，进而实现了一种融合了高透明性与哑光特征的宏观光学材料，其可以在保持完美透明性的同时，展现出如粗糙物体表面一般的哑光外貌。这类新型光学材料在隐形、成像和显示等领域可能具有广泛的应用前景，有望切实改善人们日常生活中的视觉体验。

在传统光学中，一个历史悠久的难题是透明性与哑光外貌之间的矛盾。例如，透明玻璃是整个光学的材料基础，在现代社会中拥有广泛的应用。然而，其光滑表面也导致了镜面倒影和眩光污染等不良影响。另一方面，具有粗糙表面或无序组分的常见物体，如墙、木头、纸等，通常都具有哑光的外貌。漫散射消除了倒影和眩光，但是也导致其透明程度大幅下降。近年来，可独立调控透射与反射的超表面的发展，为解决这个经典光学难题提供了一个契机。2021年，南京大学赖耘教授、彭茹雯教授和王牧教授合作团队提出了一种无序翻转超构表面，成功地将漫反射与透射清晰成像的功能完美融合（Science Advances 7, eabj0935 (2021)）。然而，该超表面的漫反射能力是随频率变化的，只在690纳米附近接近完美，而在400-500纳米的区间几乎失效，即不能覆盖整个可见光频段。此外，该超表面的最小特征尺寸约为100纳米，因此难以加工出宏观尺寸的样品。这些缺点极大地限制了实际应用。

2024年，该团队在原有的工作基础上开拓创新，首次基于成熟的工业级步进式光刻技术，首次在玻璃表面加工了在全可见光频段具有完美漫反射功能和高度透明性的宏观尺寸超表面（直径为10厘米）(Science Advances 10, eadm8061 (2024))。这种超表面被称为：透明哑光表面（transparent matte surfaces）。具有这种表面的透明材料在透射上具有极高的透明清晰程度，类似于透明玻璃；而在反射上则具有类似粗糙物体的哑光外貌。

要融合漫反射与透明，关键是实现极端不对称的光散射。不对称光散射可以通过将两种反射相位差接近π，而透射相位差接近0的超原子无序排列，组成无序超表面来实现。在之前的工作中，我们通过互易性定理与空间反演对称性保证了在整个可见光频段内透射相位差为0。但是，要在整个光学频段内实现反射相位差为π依然是一个重大的挑战。在此工作中，我们采用了一种出乎意料的简洁方法，实现了宽频反射相位差为π的功能。通过在无序翻转的金属片结构上方覆盖一薄层电介质，由于介质表面与金属片的反射波之间的干涉，刚好消除了金属片反射相位差的频率色散，最终在全可见光波段实现了π的反射相位差。实验测量结果表明：这种设计能在整个可见光波段将原本金属片的镜面反射率降低几十倍至~1%，甚至低于普通玻璃的镜面反射率（~4%）。此外，由于金属片单元的横向尺寸为900纳米，因此可以采用工业级步进式光刻技术制备宏观样品。

图1. 基于透明哑光表面的伪装窗户