清华大学在超表面光场调控的研究中取得新进展

功能动态可调的超表面在光学系统受到广泛关注，在激光雷达、裸眼3D显示、OAM（orbital angular momentum，角动量）光束复用/解复用、变焦超透镜等诸多场景中具有广泛的应用潜力。已有可调超表面的主要实现方式为使用电光、机械、相变等机制，从而在亚波长尺度重构超表面的结构。然而，逐像素的电光调制需要复杂的电极排布，规模难以扩展；机械、相变等机制可实现的功能和通道数受限。另外一种控制方式则是改变入射光的性质，而不重构超表面本身，包括角度、波长、OAM、偏振等。这种方式的可调自由度往往受限，因此可实现的功能和通道数依旧受限，如何进一步拓展可调超表面的功能通道数目仍是亟待解决的难题。

近日，清华大学电子工程系黄翊东教授团队冯雪副教授的研究小组在超表面的多通道可调光场操控方面取得研究进展。他们提出了一种利用N层偏振相关超表面结合偏振控制器的级联架构，将偏振相关超表面的可调通道数由2个提升至2^N个，并且原理上无内禀损耗和串扰，适用的功能包括动态波束偏转、动态可调阶次的涡旋光束产生、变焦超透镜等。实验上通过3层超表面结合液晶偏振延迟器的级联，实现了8通道可调阶次的涡旋光束产生以及8通道动态波束偏转，同时支持电调切换，验证了该架构的可行性。

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图1.N层偏振相关超表面结合偏振控制器的级联架构示意图

由于偏振自由度仅为2的限制，在不引入其他元件或串扰的情况下，无法通过单个偏振相关超表面实现超过2个的独立通道。因此，偏振相关超表面的可调通道数量难以得到突破，限制了其可扩展性和应用潜力。

为了提升通道数量，研究团队采用N个偏振相关超表面进行级联，同时在每个超表面前增加一个偏振控制器，使得该超表面的输入光可在2个正交偏振态间切换。此时，整个级联结构中的光偏振态将具有2^N种组合，对应的等效波前操控模板也具有2^N种情况。然而，这些模板间具有相关性，自由度仅为N+1，无法对应2^N个任意的功能进行设计。

研究团队进一步发现，对于特定功能（波束偏转、涡旋光束产生、透镜）所需的波前操控模板，同类功能级联叠加后依旧是该类功能，而对应参数（偏转角正弦值、拓扑荷数、焦距倒数）在此过程中加法叠加。因此，如果级联结构中所有超表面的所有偏振通道都设置为同类功能且参数不同，则级联后的2N种波前操控功能也均为该类功能，且具有各不相同的参数，由此可以设计出2^N个不同且无串扰的功能通道。

实验上，研究团队通过3层超表面的级联架构实现了8通道可调阶次的涡旋光束产生以及8通道动态波束偏转，对上述方案进行了验证。基于不同的超表面级联组合，涡旋光束的拓扑荷数（topological charge, TC）可在l=-3~+4或l=-1~-8间切换，前者效率在31.6%~33.7%范围内。波束偏转的方向可按8×1一维排列或4×2二维排列，效率均在15%~25%范围内。同时，所使用的偏振控制器均为可电调的液晶偏振延迟器（liquid crystal phase retarder），因此该实验架构可以电调切换通道。

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图2.8通道可调阶次的涡旋光束产生架构示意图及实验结果

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图3.8通道动态波束偏转架构示意图及实验结果

9月27日，相关研究成果以“基于N层级联偏振相关超表面的可电调2N通道特定功能波前操控”（Electrically switchable 2^N-channel wave-front control for certain functionalities with N cascaded polarization-dependent metasurfaces）为题，在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。

清华大学电子工程系黄翊东教授团队2020级博士生马致遥为论文第一作者，冯雪副教授和黄翊东教授为论文通讯作者。研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-52676-w