撰稿|由课题组供稿
图 1 消色差无反射双层超构表面示意图。通过调制不同相位平面上的两个相同模式间的近场和远场耦合，可以实现消色差无反射的超构表面，在透射和吸收通道之间的能量由模式损耗决定。
近些年来，自由调控电磁波的透射、反射和吸收特性，因在隐身、传感和能量搜集等领域有重要和广阔的应用前景，引起了科学家们的广泛关注。然而，在不同通道中的能量常以复杂的方式相互耦合，在透射和吸收之间进行完美切换是极具挑战性的。因此，如何运用新型的光学材料（如超构表面等）实现可任意切换吸收和透射的消色差无反射器件具有重要意义。
针对这一挑战，复旦大学周磊教授团队在《PhotoniX》发表最新文章，从耦合模理论出发建立起能够描述双通道双模式耦合光子共振体系的理论方法，通过引入共振体阵列的层间距离这一自由度实现了共振体间近场耦合和远场耦合强度的定量独立调控。团队结合数值模拟与光波段实验验证了该理论对于体系的响应预测与谱线设计能力，最终通过定量设计模式耦合强度，在特定条件下（Kerker条件）实现了超宽频带消色差无反射的超构表面器件。团队给出了实现透射光在透射通道和吸收通道之间的能量自由切换的理论方案，并在近红外波段实验上实现了完美吸收器件。
该研究成果不仅为实现消色差无反射超构表面提供了清晰定量的理论和设计指导，同时为设计具有任意耦合参数的光子共振体系提供了一套强大的工具，为未来隐身、传感和能量搜集等领域的发展和应用打开了新平台。
自由调控电磁波的透射、反射和吸收具有重要意义，例如能量收集场景下需要完美吸收，在与传感和隐身相关的应用中完美透射更受到青睐。然而，在不同通道中的能量常以复杂的方式相互耦合，在透射和吸收之间进行完美切换是极具挑战性的。
超构表面是由亚波长的人工原子按照人为设计的宏观序排列而成的，为更好地利用和控制光提供了新平台。但在实现的完美吸收/透射超构表面中，总会在工作频带外出现强烈反射。最近，在构建无反射超构表面的尝试中，一种典型的设计方法是利用两个分别具有电响应和磁响应的共振模式，使它们的背向散射在特定条件下（例如，Kerker条件）能够精确地相互抵消。然而，由于这两个共振模式通常表现出不同的频率色散，在大多数情况下器件只能在单个频率或某个窄带下满足Kerker条件。尽管科学家们有了许多尝试，比如通过模拟优化结构来拓展无反射的带宽，但这样的问题仍然存在，因此急需新的物理机制来指导消色差无反射超构表面的设计与实现。
3.1 建立双通道双模式光子共振体系的耦合相图
图 2 双通道双模式光子共振体系的耦合相图
针对以上挑战，研究团队提出了一种实现消色差无反射超构表面的新方法（图1）。与由同平面共振体组成的超构表面不同，这里研究的是一个双层体系，包含两个处在不同平面上的共振体阵列。该工作的创新之处在于打开了共振体阵列的层间距离这一能够分别独立调节两个共振体间近场耦合和远场耦合强度的全新自由度，而这也是在之前的光场调控研究中未被探究清楚的。基于双通道双模式耦合模理论计算，团队首先建立了一个普适性的相图，揭示了该类体系中反射信号是如何随着共振体间的近场和远场耦合而变化的（图2）。团队发现只要两个耦合强度满足一定条件，Kerker条件就可以在所有频率下严格满足，即实现消色差的无反射。同时，这也为实现具有任意线性光学响应的设计提供了明确的指导。
3.2 验证欧姆损耗对于体系通道间能量分配的影响
由于真实体系往往不可避免地具有吸收损耗，团队对于带有不同吸收阻尼参数的模式对体系通道间能量分配的影响进行了讨论（图3）。团队发现，改变体系的欧姆损耗并不会使系统打破Kerker 条件，这意味着体系可以保持宽频无反射的前提下实现透射光在透射和吸收通道之间的能量再分配。同时，欧姆损耗还能够影响体系的透射相位，通过连续调控欧姆损耗，体系的透射相位可以在欠阻尼相区与过阻尼相区切换，相区边界则正好对应体系的完美吸收点。
图 3 欧姆损耗对于通道间能量分配的影响
3.3 耦合调控相图的实验验证
为了验证上述理论思想，团队在验证了两层结构单独存在时具有相似的光学响应后，通过设计以及运用光频段的双层套刻技术制备了一系列的双层超构表面，并通过光波段实验展示了真实体系的几何参数会如何调制两个耦合强度，进而驱动它们在相图中的移动来调制体系的反射率（图4）。实验结果和理论、模拟结果吻合得较好。
图 4 具有不同近场和远场耦合的两组超构表面的实验验证。
3.4 消色差无反射超表面的实验验证
团队最终实现了满足Kerker条件的超构表面，并通过实验验证了超宽带的无反射现象（实验中160-220 THz，模拟中0-225 THz）和203 THz 附近的全吸收特性。实验结果和理论、模拟结果吻合得很好。最后，在模拟上验证了隐身背景下可以调节吸收和透射配比的超构表面。这为通过电或光学等手段去控制超表面材料的固有阻尼，从而实现用于相位调制和波前控制的透射可调超表面提供了广阔的平台。
图 5 消色差无反射超表面的实验验证及仿真真实结构的通道间能量调控效果
团队提出的将调节共振体阵列层间距离从而引入远场干涉耦合作为新自由度，为光子共振体系相关研究打开了新的平台。同时，通过揭示耦合参数与真实结构参数的联系为进一步指导设计满足特定需求的光学响应提供了有效手段，并且可以扩展到研究其他类型的波耦合系统。另外，该工作首次在光频段实验上实现了消色差的无反射器件，可以在透射体系下有效地操纵光。这在未来传感、隐身、能量收集甚至主动波前控制等领域都有广阔的应用前景。
该研究成果以“Manipulating light transmission and absorption via an achromatic reflectionless metasurface”为题于2023年1月在线发表于《PhotoniX》。复旦大学物理学系博士生郑晓颖、博士后林婧为论文共同第一作者，复旦大学物理学系周磊教授、何琼教授、林婧博士后为论文共同通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划、上海市科委、中国博士后基金等经费的支持。
论文地址：
DOI: 10.1186/s43074-022-00078-w
https://photonix.springeropen.com/articles/10.1186/s43074-022-00078-w
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