导读

近日，中山大学董建文教授和复旦大学周磊教授团队合作，在角度-波长的联合光谱调控领域取得重要进展。合作团队提出了调控Fano共振光谱的辐射单向性新自由度，基于双层错位超构光栅克服了周期体系内禀的角度-波长锁定机制。实验上，团队发展了高精度的双层微纳光栅制备工艺和辐射单向性的显微角分辨测量技术，并在实验上首次展示了具有“空间频率-光谱频率”联合选择性的高对比度成像。研究成果不仅为独立调控角度和波长这一基础性难题提供了创新方案，也为AR/VR显示、光谱成像、相干热辐射、先进半导体制造等技术应用提供了新思路。

相关研究成果以“Overcoming intrinsic dispersion locking for achieving spatio-spectral selectivity with misaligned bilayer metagratings”为题发表于eLight（入选两期卓越计划）。

波长和传播方向（角度）是光的两个基本属性，实现特定波长和特定角度的选择性是丰富光学应用场景背后的物理基础。对特定波长的选择性，产生了光学微结构丰富的结构色，同时在激光光源、光谱检测、光谱成像中也发挥着不可或缺的作用。对特定角度的选择性，则是提高成像系统对比度，实现光源定向辐射的基本需求。过去，研究人员针对这两类选择性提出了诸多方法，如基于光子晶体平板导模共振的波长滤波，基于多层薄膜多重散射的角度滤波。然而，由于周期体系内禀的色散特性，角度和波长存在固有的锁定关系，因而在人们的传统认知里，光入射角度的变化总是伴随滤波波长的变化。这种内禀的色散特性使得在无源无耗散的周期体系下实现角度-波长的解锁面临基础性挑战。

图1：基于双层错位超构光栅解锁角度-波长选择性的示意图

如何实现角度-波长的解锁？为此，研究团队提出了辐射单向性操控Fano光谱的新自由度。Fano光谱常见于周期体系的共振响应光谱中，它来源于被激励光学模式与背景信号的干涉。通过理论分析，研究团队给出了辐射单向性设计Fano光谱的完整相图。通过设计相图，研究团队给出抑制Fano共振反射的两个关键条件：（1）空间反演对称性保证了反射零点的鲁棒性；（2）光学模式的辐射高单向性则有效抑制反射峰值的大小。

通过设计辐射单向性来灵活抑制色散曲线上特定角度范围的反射，可以实现对某一个角度Fano共振反射的精准挑选。一个形象的比喻是，辐射单向性好比一块神奇的橡皮差，使得我们能够精准地擦除色散曲线上光的反射痕迹，诱导“消失”的光谱。

基于这样的物理原理，研究团队在双层超构光栅体系中引入错位自由度。错位既保留了空间反演对称性，同时打破纵向镜面对称性，进而能够对辐射单向性的角度依赖特性进行精细化设计，确保了仅在零角度以及中心波长附近共振反射。类似地，研究团队对一般角度和一般波长的选择性也给出了相应的理论设计。

图2：辐射单向性设计Fano光谱的完整相图，及双层错位超构光栅的理论设计

控制超薄间隔层（~ 30 nm）的平整度和精细错位距离（~ 30 nm）是双层错位光栅实验制备面临的核心挑战。针对这一难题，研究团队经过持续多年的技术迭代，自主发展了“多次刻蚀-间接测量-再沉积”的间隔层厚度控制工艺和双层精细对准的套刻工艺，成功制备了工作在近红外波段的高质量双层错位超构光栅样品。该工艺具有间隔层平整且厚度可控，双层对准精度约10 nm，间隔层材料不受限的优势，为构建多样化的双层实验研究平台提供了有力支撑。进一步，研究团队还开发了毫米量级的高精度双层错位光栅，为双层超构光栅的大尺寸应用奠定了基础。

图3：双层错位超构光栅的微纳制备

研究团队对样品的辐射单向性进行了光学显微角分辨测量。他们结合时域耦合模式理论和正交偏振测量方法，实验定量测量了共振模式辐射的单向性。与理论设计一致，在-20°~-10°角度范围内观测到了光学模式显著的辐射高单向性，从而保证了该角度范围内共振反射信号被按需“擦除”。

进一步，通过角分辨反射谱的测量，研究团队实验验证了双层错位超构光栅仅在零角度和中心波长附近存在共振反射信号。共振反射被显著抑制的角度范围与实验测量的辐射高单向性角度范围一致，进一步证明了理论方法的可行性。

图4：辐射单向性和反射谱的光学显微角分辨测量

基于角度-波长联合选择性，仅通过单个元器件便可实现空间频率和光谱频率的选择性成像。研究团队在实验上成功演示了同时在0°和1342 nm实现窄带滤波的高对比度成像功能。该亚波长双层结构极大地简化了传统成像系统中复杂的空间滤波和光谱滤波装置，为紧凑式光成像与光计算提供了新的可能性。

图5：实验表征同时实现空间频率和光谱频率选择性的中山大学“1924-2024“校庆图像

本研究提出了辐射非对称性作为调控Fano共振光谱的新自由度，打破了周期体系中角度-波长的色散锁定关系，使得独立操控共振角度和波长成为可能。研究给出了辐射单向性设计Fano共振强度的完整相图，发展了双层错位光栅的高精度制备工艺和辐射单向性的显微角分辨测量技术，并在实验上演示了同时实现空间频率和光谱频率的选择性成像。值得注意的是，理论得到的设计相图不局限于具体结构，而仅仅与光学模式的本征行为相关，这极大扩展了研究结果的应用领域。研究结果为解锁光谱的角度和波长自由度铺平了道路，在AR/VR显示、光谱成像、光计算、相干热辐射、先进半导体制造等领域展现出广阔的应用前景。

Zhuang, ZP., Zhou, X., Zeng, HL. et al. Overcoming intrinsic dispersion locking for achieving spatio-spectral selectivity with misaligned bilayer metagratings. eLight 5, 13 (2025). 

https://doi.org/10.1186/s43593-025-00092-y