撰稿|由课题组供稿
具备波长可调谐、波前可动态调控功能的亚波长光学器件在AR/VR可穿戴设备中拥有广阔的应用前景。近日，南昌大学刘婷婷研究员、肖书源副研究员和华东师范大学黄陆军研究员、澳大利亚新南威尔士大学Andrey E. Miroshnichenko教授合作团队在这方面取得进展，提出了在相变材料超表面中利用连续域中的准束缚态（quasi-bound states in the continuum, quasi-BICs）实现可调波长的动态光场调控方法。利用新型相变材料硫化锑（Sb2S3)构建超原子，基于quasi-BIC共振处偏振特性构建几何相位，所设计的相变非局域超表面具有高度的光谱和波前调控自由度，展现出连续可调的光场调控能力，且在特定波长处的空间响应可开关切换。相关成果以“Phase-change nonlocal metasurfaces for dynamic wave-front manipulation”为题，发表在物理学期刊《Physical Review Applied》上。
基于广义Snell定律，传统的局域超表面通过设计超原子之间相对独立的相位梯度，实现了依赖空间的宽谱光场调制。然而，在许多新兴的光学成像、传感、通信和现实应用中，例如AR/VR系统，需要的是具有高局域化能量和高光谱控制的波前调控功能，即在空间和光谱范围内进行光场调控。这一需求是无法通过传统的局域超表面实现的。与传统的超表面相互补充的非局域超表面能够实现可波长选择的窄带波前调控，正获得广泛关注。如何实现这一平面光学器件上的空间和光谱响应的主动调控，成为可重构纳米光子学的重要课题。
研究团队设计了一种支持quasi-BIC共振的相变非局域超表面，如图1所示。宽带圆偏振光入射到超表面上时，仅有quasi-BIC共振波长处的波前获得调制。当图案化的相变材料Sb2S3纳米结构发生从非结晶形态（a-Sb2S3）到结晶形态（c-Sb2S3）的相变时，波前调制的中心波长随着共振响应发生从波长λa 到λc的谱线偏移。由于Sb2S3具有优越的可调控性质，Sb2S3超表面展现出可逆的、非易失性的、动态的波前调控能力。
图1 相变非局域超表面的空间和光谱响应的主动调控
所提出的相变非局域超表面单元如图2(a)所示，其波前调控能力源自对quasi-BIC偏振特性依赖的几何相位。通过实空间中的周期二倍化的扰动导致动量空间中的能带折叠，使得在光线下的束缚态折叠到了连续域中的可辐射态。在这个过程中，quasi-BIC模式遵循选择定则，对入射光偏振的选择性由扰动对称性的空间群决定，引入的几何相位可实现共振窄带频谱上的波前调控。当右旋圆偏振光（RCP）照射到超表面时，透射光中左旋圆偏振光（LCP）分量的几何相位可覆盖0~2π范围，如图2(b)所示。进而通过调节相变材料的结晶程度，超表面的quasi-BIC共振的位置发生偏移。图2(c)说明了转换偏振分量LCP的透射谱在~170 nm的范围内呈现连续变化。尽管谱线偏移，quasi-BIC的几何相位保持不变。由此，通过将具有空间变化的几何相位分布与Sb2S3超原子的动态光谱响应作用结合，我们设计出可动态波前调控的quasi-BIC超表面。
图2 相变非局域超表面的透射特性。（a）单元结构示意图。（b）a-/c-Sb2S3超表面的透射偏振分量随转角α的相位变化。（c）不同结晶状态下的相变超表面的透射偏振分量谱线。
依赖所提出的设计原理，研究团队设计并理论展示了相变非局域超表面在波束偏折、聚焦和全息成像功能中的动态调控作用，如图3，4，5依次所示。上述波前调控功能仅在共振波长下实现，在非共振波长处功能透明。而且，其空间响应所在的波长可在较宽范围内进行调节。所提出的超表面满足了仅仅在选定波长处调控波前的需要，且实现了对工作波长的自由选择。同时超表面也呈现了更多自由度和更高信息加密安全性，例如，若要在选定波长上对信息解码，需要适当的外部激励将超表面相变到特定结晶状态，而对于其他情况只能得到误导性或无用的信息。
图3 相变非局域超表面的在不同波长下的动态窄带光束偏折。
图4 相变非局域超表面在不同波长下的动态聚焦。
图5 相变非局域超表面在全息成像中的空间和光谱动态控制
研究团队提出了能够主动调控光谱和空间响应的相变非局域超表面，通过单一结构的相变超原子构建了quasi-BIC超表面实现主动的窄带波前调控功能。该方法通过将广义Snell定律支持的波前调控原理与quasi-BIC共振的局域电场增强能力结合，调控了入射光在共振波长下空间响应，实现了可逆非易失的光谱和空间响应，从而为主动调控多维光场提供了充分自由度，有利于推动主动超表面的发展，有望加速超表面器件在信息存储、AR/VR显示等领域的应用。
论文链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.21.044004
附：研究团队及合作者近年来在BICs物理和动态可调纳米光子学方向的其他代表性工作
[1] Active metamaterials and metadevices: A review, J. Phys. D: Appl. Phys. 53, 503002 (2020). （肖书源，刘婷婷）
[2]Polarization controlled dynamically switchable high-harmonic generation from all-dielectric metasurfaces governed by dual bound states in the continuum, Phys. Rev. B 105, 195440 (2022). （肖书源，刘婷婷）
[3] Phase-change metasurfaces for dynamic image display and information encryption, Phys. Rev. Appl. 18, 044078 (2022) （刘婷婷，肖书源）
[4] Resonant leaky modes in all-dielectric metasystems: Fundamentals and applications， Phys. Rep. 1008, 1 (2023). （黄陆军，Andrey E. Miroshnichenko）
[5] Pushing the limit of high-Q mode of a single dielectric nanocavity, Adv. Photonics 3, 016004 (2021). （黄陆军，Andrey E. Miroshnichenko）
