全介质三功能复振幅调控超表面

撰稿|由课题组供稿

近日，天津大学的姚建铨院士课题组和首都师范大学的张岩教授课题组合作，提出了一种全硅的多功能超表面平台，将三种复振幅分布集成到单个超表面器件上。相关成果以“All-dielectric trifunctional metasurface capable of independent amplitude and phase modulation”为题发表在国际知名期刊Laser & Photonics Reviews上。

振幅、相位、偏振等作为电磁波的基本属性。传统上，相位板、波片、透镜、空间光调制器等用来控制光场的分布。这些体光学元件通过控制光在传播过程中累计的相位来实现对光场的调控，体积庞大且不利于紧凑型光学系统的集成。超表面的出现为高效地调控光场提供了新的选择。超表面由人工设计的亚波长超原子构成，能够在亚波长尺度上调控光场的振幅、相位、偏振等分布。基于超表面的出色的操纵电磁波的能力，大量功能强大的平板光学元件被提出，诸如透镜、超全息、涡旋光束发生器、图像微分器等。为了更好地调控电磁波，需要同时对电磁波的多个维度进行调控。随着亚波长光学的发展以及对多功能光子器件的需求，人们迫切地需要将更多的功能集成到单个器件上。

为了满足对电磁波多维度调制以及多功能光子器件的需求，研究者提出了一种全硅多功能超表面器件，该器件可以独立调制入射圆偏振波的同偏振和交叉偏振分量的振幅和相位分布。通过将各向同性超原子(圆柱)和各向异性超原子(矩形柱、具有高效偏振转换的半波片)组合在一起，所提出的单层超表面可以任意、独立地将三对振幅和相位分布编码在三种极化通道[LCP-LCP(RCP-RCP),LCP-RCP,RCP-LCP]。为了证明该方案的可行性和灵活性，研究者设计了三个示例:（1）产生等强度多对焦点；（2）产生等强度多对轴向双焦点；（3）产生任意强度比的多对焦点。实验结果与仿真吻合得很好。提出的多功能超表面平台为集成光学器件提供了更多的操作维度。得益于这种新提出的多功能超表面平台在能量分配和波前整形方面的强大功能，该方案可以在粒子操控、成像以及其他领域发挥其应用潜力。

图1：多功能超表面概念示意图

文章链接：

https://doi.org/10.1002/lpor.202200051

All-dielectric trifunctional metasurface capable of independent amplitude and phase modulation, Laser & Photonics Reviews, 2022, 202200051.