撰稿|由课题组供稿
近日，南京大学的赖耘教授、彭茹雯教授和王牧教授合作研究团队，首次利用了光学互易原理与空间反演实现了一种无序翻转超构表面（random-flip metasurfaces），成功地将看似互相矛盾的漫反射与透射清晰成像的功能完美融合，发展出一类新型光学表面，可应用于新型光学显示和成像等领域，并切实改善人们日常生活中的视觉体验。该研究成果近期以“Diffuse reflection and reciprocity-protected transmission via a random-flip metasurface”为题发表在国际重要期刊《科学进展》[Science Advances 7, eabj0935 (2021)]上。
早在公元前3500年前，古埃及人就发明了玻璃。至今，透明材料伴随人类社会的发展的历程已超过5500年。在现代社会中，玻璃或其他透明材料的应用随处可见，例如：窗户、电脑/手机显示屏、汽车玻璃、建筑玻璃幕墙、透明容器等。然而，在光滑的透明材料表面，通常会伴随着镜面反射，这给人们的日常生活带来了很多困扰。例如，手机或者电脑在户外强烈光线下的眩光让人看不清楚屏幕；太阳光在建筑玻璃幕墙上的反射会造成城市光污染；还有橱窗上的反射光常常让人们看不清橱窗中的展览品，等等。
要消除镜面反射，一种方法是利用减反膜/增透膜。但是这种方法一般在入射角和频率范围上有较大限制，价格昂贵，而且丧失了调节透射率的自由度。另一种方法是通过将光滑表面变成粗糙表面，从而引入漫反射，将反射光分散到不同的方向上。然而，粗糙表面一般也会同时影响透射光，导致透射成像不再清晰。一个简单的例子就是毛玻璃，既没有反射倒影也不能看清其后的物体。透射清晰成像（透明）和漫反射是两种非常宝贵的光学功能，但是分别对应于光滑表面和粗糙表面。在传统光学看来，这似乎是鱼和熊掌不可兼得。那么，现代光学中能否找到一个方法，解决这个看似相互矛盾的古老难题呢？需要指出的是，透射清晰成像和漫反射这两种功能都需要在可见光的宽频范围内工作才有实际应用价值。
近日，南京大学的赖耘教授、彭茹雯教授和王牧教授合作团队，首次利用了光学互易原理与空间反演设计了一种无序翻转超构表面（random-flip metasurfaces），成功地将漫反射与透射清晰成像的功能完美融合，发展出一类新型光学表面（Science Advances 7, eabj0935 (2021)）。该超构表面由随机上下翻转（空间反演）的结构单元组成。基于光学互易原理，结构单元翻转前后的透射相位相同，而反射相位不同。因此，无序翻转会导致漫反射，而完全不会影响透射的清晰成像功能。由于互易原理与空间反演都不依赖于频率，因此透射清晰成像是宽频适用的，而漫反射也可以拥有较大的带宽。通过加工无序翻转超构表面，他们成功地制备了这种新型光学表面，并实验证实了其在可见光和红外频段范围内宽频漫反射与透射清晰成像的特征。这种全新的光学表面有望实现无镜像无眩光的高清晰度透明材料，极有可能促进很多光学领域的发展，并切实地改善人们日常生活中的视觉体验。
2.1 新型光学表面的神奇效果：透射像透明玻璃，反射像毛玻璃
图1A比较了光滑表面，粗糙表面和新型光学表面的物理机制。光滑表面由于在透射和镜面反射光中保留了入射波的信息，因此可以同时实现透射与反射清晰成像（左图）。相反，粗糙表面通过引入表面的随机起伏，产生了杂乱无章的反射与透射光，破坏了入射波的信息，使得透射和反射光无法清晰成像（中图）。而新型光学表面则结合了光滑表面和粗糙表面两者的优点，在透射上表现得如同光滑表面，在反射上表现得如同粗糙表面（右图）。图1B和1C分别展示了这三种光学表面的反射和透射效果图。对于透明玻璃来说，虽然能清晰看见其后的物体，但也存在着反射倒影（左图）。对于毛玻璃来说，反射倒影变得模糊，但是同时无法看清其后的物体（中图）。而具有新型光学表面的透明材料，既可以像毛玻璃那样把反射倒影消除，又可以完全清晰地看清后面的物体（右图）。这种神奇的效果可以通过将透射和反射光之间的相位关联打破来实现。而要打破这个关联，可以利用超构表面来实现。
超构表面是近年来广泛受到关注的一种微纳结构平面阵列。基于结构设计和排列，可以对透射/反射电磁波的相位、振幅、偏振实现几乎任意的调控。基于超构表面的研发，人们已经揭示了广义的折射与反射定律，传播波-表面波转化，高效全息成像，光学霍尔效应，超薄隐身斗篷，结构光操控，超透镜，偏振成像等十分有趣的概念与功能。然而，至今为止，光学互易和空间反演等基本的物理原理尚未在超构表面领域得到充分的应用。
图1. 透明玻璃、毛玻璃以及具有新型光学表面的透明材料的视觉效果。
2.2 将互易律与空间反演引入超构表面设计
光学中的互易律指出，在一个互易的光通道内，如果交换其中的光源和探测器的位置，那么得到的响应必然与交换位置前完全一致。对于光学表面来说，入射方向与透射方向构成了一个互易的光通道。以图2A中所示的情形为例，假设一种微纳结构的透射系数为t（右图），那么当电磁波沿着原透射波的方向逆向入射时（左图），根据光学互易原理，可以得到透射系数
。另一方面，反射系数则不受互易律保护，因此一般
。进一步的，将图2A中的微纳结构进行空间反演操作，得到图2B右侧所示的微纳结构。假设结构在面内具有高对称性以确保不同偏振之间没有耦合，此时空间反演操作就可以简化为翻转操作（flip）。图2B中的两种结构可以用翻转的箭头（或head和tail单元）来表示。通过考虑空间反演和互易律，研究团队发现对于任意的入射方向，这两种微纳结构的透射率都严格相等，而反射率一般不相等，即
以及
。
图2. 利用互易律与空间翻转设计无序翻转超构表面。
基于互易律和空间翻转操作，研究团队设计了如图2C所示的无序超构表面。构成超构表面的两种结构单元如图2D所示，其中金柱阵列在玻璃衬底中的位置不同，因此构成了一对结构上下翻转的单元。这两种单元的透射系数几乎相同，而反射相位则有显著的区别。从无序翻转超构表面的远场辐射仿真图中可以发现透射波像穿过均匀材料一样保持原传播方向，而反射波则被散射向各个方向，形成了漫反射。
2.3 新型光学表面的成像实验
研究团队使用磁控溅射、电子束光刻、多层套刻等方法制备了以上设计的无序翻转超构表面。利用多角度透反射测量等方法，证明了无序翻转超构表面具有透射完美透明和漫反射功能。进一步地，利用图3A所示的实验装置，研究了无序翻转超构表面的成像特性。在透射成像实验中，将小兔子图案（图3B）置于超构表面的后面，用显微镜观察小兔子图案经过超构表面的透射成像。在反射成像实验中，将小狗图案（图3B）置于超构表面的前面，用显微镜观察小狗图案被超构表面反射所形成的反射镜像。作为对比，在相同的实验条件和成像参数下，还对全部为head单元构成的均匀结构的成像进行了测量。
图3. 无序翻转超构表面的透、反射成像实验。
透射成像的结果如图3C所示。可以观察到，在520nm-850nm的宽波长范围内，无论是透过无序翻转超构表面还是全部为head单元构成的均匀结构，都可以清晰地看到其后的小兔子图案。值得一提的是，透过超构表面成像的分辨率非常高。图3E展示了透过超构表面观察到的分辨率靶 USAF 1951的拍摄图案，从中可以看到第7组的第6个元素都清晰可分辨。反射成像的结果如图3D所示。可以看见，全部为head单元构成的均匀结构可以对小狗图案形成清晰的反射镜像，而无序翻转超构表面的反射镜像则十分微弱，几乎看不清楚。这是无序翻转超构表面能在保持透射透明的同时实现漫反射的又一力证。
在这个工作中，研究团队实现了一种完美融合了透射清晰成像与漫反射的新型光学表面，解决了两者无法兼容的传统光学难题。设计原理是基于互易律与空间反演操作，因此是普适的，几乎适用于任何材料（包括吸收材料）和结构。这种新型光学表面融合了透明玻璃成像具有高清晰度以及毛玻璃漫反射不产生眩光的优点，可以说是鱼与熊掌兼得。因此，其在高清显示屏、玻璃幕墙、汽车玻璃等要求高透明度而同时又需要尽量避免反射眩光的场景中有广阔的应用前景。
该研究成果近期以“Diffuse reflection and reciprocity-protected transmission via a random-flip metasurface”为题发表在Science Advances 7, eabj0935 (2021)上。 本文第一作者为南京大学的褚宏晨助理研究员和熊翔副教授。通讯作者为南京大学的赖耘教授、彭茹雯教授和王牧教授。合作者包括苏州大学的罗杰副研究员以及南京大学的高雅君博士、景灏博士、李成尧博士生。研究工作得到南京大学物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心等平台支持，获得科技部重点研发计划，国家自然科学基金和南京大学登峰人才计划B等项目资助。
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj0935
免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理，所有来稿文责自负，两江仅作分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。
