近日，季华实验室潘美妍团队联合华南师范大学陈溢杭课题组提出了一种介质超构表面动态变焦新策略。研究通过精确调控超构单元中激发的米氏谐振角度色散特性，首次实现了基于入射光角度调控的超构透镜反射二维聚焦动态调焦。该成果通过建立入射角度与焦点位置的动态关联，成功拓展了动态超构光学器件的调控自由度，为下一代便携式光学系统的研发提供了重要的理论支撑和技术路径。相关成果以“Angular dispersion-enabled dynamic metasurface for tunable reflective focusing”为题，发表在《Optics Express》期刊上。
具备实时动态调控能力的光学器件及系统（如变焦镜头）始终是光电子器件领域的研究热点。传统光学器件通常依赖机械组件实现变焦等功能调节，例如通过旋转镜组改变焦距，但这类方案需借助笨重的机械运动部件，导致器件体积庞大、系统复杂度显著增加，与当前光电子器件微型化、集成化的发展需求存在矛盾。超构表面因其独特的动态调控特性为突破上述技术瓶颈提供了新思路，其调谐机制涵盖机械式与非机械式两类，前者通过物理形变实现调控，后者则借助自由载流子调控、热光效应、电致折射率变化、全光效应以及光学相变材料等原理实现动态响应。这种灵活的可调性使得平面光学元件在光束操控、波前整形及变焦透镜等应用中展现出巨大潜力。
值得关注的是，尽管已有少量研究基于角度复用超构表面实现了光学全息等应用，但这些方案主要依赖金属表面等离子体共振或布洛赫模式/导模共振等一维非局域模式，其应用受限。相较之下，全介质惠更斯超构表面中的米氏谐振凭借其低损耗特性与独特的角度色散响应，为实现高效灵活的动态波前调控提供了极具前景的技术路径。
图1 原理概念图(a)不同入射角下米氏谐振的频移示意图。(b)角度诱导的频移而导致附近波长的相位变化示意图。(c) 通过米氏谐振获得不同局部相位和角度色散来实现入射角调焦。
该项研究以入射角为全新自由度，实现了全介质超构表面的角度复用二维波前调制。如图1a所示，单个米氏谐振的共振频率随入射角变化呈现规律性偏移，从而特定频率点的相位随之发生显著改变（图1b）。因此，研究团队通过精心设计不同尺寸的硅环形盘结构，在相应区域激发具备不同相位和角度色散特性的米氏共振，从而在变化的入射角下调制不同的反射相位分布（图1c）。作为概念验证，研究人员仿真演示了一种由入射光角度进行调节反射焦距的动态超构透镜（图2）：15°入射时焦距为10 μm，20°入射时焦距切换为20 μm，并通过智能算法优化超构透镜反射率和相位，分别在两个角度实现了13.5%和18.13%的聚焦效率。
图2 角度变焦超构透镜在15°和20°入射角度下的仿真结果。(a) FDTD模拟和远场计算的y-z面磁场强度图。(b) FDTD模拟和远场计算的 x-y面磁场强度图。
为了评估双焦距随入射光角度切换的光谱鲁棒性，研究人员在设计的工作波长1064 nm附近进行了仿真分析。如图3所示，该超构透镜在近红外光谱范围内对于两种入射光角度都呈现覆盖900-1200 nm宽带反射的曲线分布，其中峰值波长从15°时的1070 nm偏移到20°时的1052 nm。结果表明，角度变焦性能在1000 nm到1100 nm约百纳米带宽内保持稳定。
图3 工作波长1064 nm附近的聚焦效果分析。(a) 在15°和20°入射角下宽带（900-1200 nm）的光谱反射率。(b)不同波长下 y-z 平面聚焦远场图。
图4 角度变焦超构透镜在15°和20°间的模拟结果。(a) FDTD 模拟计算的y-z平面磁场强度图。(b)为(a)中的入射角θ-焦距f结果及其拟合曲线f。(c)仿真产生的等效聚焦效果和离散超构单元的相位轮廓图的比较。
季华实验室工程师傅翼斐和华南师范大学硕士研究生何馨怡为该论文的共同第一作者，季华实验室潘美妍副研究员和华南师范大学陈溢杭教授为共同通讯作者，季华实验室为论文的第一完成单位。
文章链接：
https://doi.org/10.1364/OE.559037
