近日，西北工业大学温丹丹教授、赵建林教授团队联合英国赫瑞-瓦特大学陈献忠教授团队提出了一种用于近场与远场振幅/偏振独立调控的新型超表面，在低串扰条件下，通过单层超表面实现了近场矢量打印图像与远场矢量全息图像的联合编码。该研究工作以“Low-Crosstalk and Independent Amplitude/Polarization Control in Near- and Far-Fields Using a Dielectric Metasurface”为题，发表于Laser & Photonics Reviews。论文第一作者为博士研究生周清明，通讯作者为温丹丹。
超表面是一种由亚波长尺度单元组成的二维人工结构，因其具备以亚波长精度调控波前的能力而受到广泛关注。由于其超薄特性和卓越的设计灵活性，成为推动超紧凑成像与高密度信息存储技术发展的关键平台。过去几年，通过单层超表面同时实现近场和远场的振幅和偏振调制成为了多维信息复用的研究重点。然而由于光波的近场和远场之间存在的固有耦合，导致现有的单层超表面设计方法难以在确保低串扰的前提下，实现对近场与远场的振幅与偏振特性的任意调控。
在本研究中，提出了一种实现近场与远场解耦的超表面设计策略，该策略能够独立控制空间和频谱域中的振幅和偏振分布。通过使用具有自旋解耦复振幅调控能力的几何相位超表面，成功在近场与远场区域分别生成了具有差异化振幅和偏振分布的矢量图像。该多通道调控机制依托改进的双循环迭代GS算法，通过建立近场与远场的联合优化模型，实现了对近远场振幅和偏振的协同设计。
图1.单层超表面实现双通道矢量图像编码的示意图
针对传统GS算法仅能调控远场振幅，且近场与远场间存在严格变换关系的问题，本研究创新性地引入了“约束域-自由域”联合迭代优化机制。该机制在保留近场与远场特定区域严格调控要求的同时，放宽了外围自由域的相位约束条件，从而在特定区域内突破了近场与远场间的严格傅里叶变换关系。算法采用双循环迭代架构，对右旋圆偏振和左旋圆偏振分量进行独立优化，并通过在迭代中保持两偏振分量的相位差来实现对近场与远场偏振态的精确调控。同时，利用傅里叶变换与逆傅里叶变换来模拟光场的正向传播与反向传播，并通过引入目标振幅的交替约束机制，调控近场与远场的期望强度分布。最终，在保证算法稳定性与低串扰的基础上，实现了近场与远场振幅及偏振的同步调控。
依靠所提出的设计方法，团队设计并实验演示了具有相反偏振变化方向的空间水平连续线偏振分布和角向连续线偏振分布的矢量纳米打印和全息显示。实验获得的纳米打印与全息图像在振幅和偏振分布上均与理论设计高度一致，且两图像之间未观察到显著串扰现象。
图2. 角向连续偏振分布样品的实验结果
本项研究首次通过单层超表面实现了近场与远场中“振幅+偏振”的完全独立调控。通过改进的双循环迭代GS算法，对空间与频率域中两个自旋分量的振幅与相位差进行了协同优化，实现了两个光学区域中振幅和偏振通道的完全解耦。该研究使用了由四纳米柱超元胞构成的自旋解耦复振幅调控超表面，实现了具有定制化振幅和偏振分布的双通道矢量图像编码。这种超表面设计方法为多维矢量场复用提供了一种全新且高效的实现路径，显著提升了超表面的信息承载能力和调制灵活性。这种多维光场的独立调制能力在光学加密、复杂矢量光场产生以及高容量数据存储等方面展现出了广阔的应用前景。
论文信息
Q. Zhou, K. Pan, P. Li, et al., Low-Crosstalk and Independent Amplitude/Polarization Control in Near- and Far-Fields Using a Dielectric Metasurface. Laser Photonics Rev. 2025, e00733, https://doi.org/10.1002/lpor.202500733
