近日，同济大学物理科学与工程学院王占山和程鑫彬团队提出了一种基于完美异常折射超表面的高效率半空间光束扫描系统，为高效率异常折射超表面的设计开辟了新路径，推动了光探测和测距系统的实际应用。相关研究成果以“Perfect anomalous refraction metasurfaces empowered half-space optical beam scanning”为题发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。
基于超表面的光束扫描设备因具有革新光探测和测距系统的潜力而受到光学和光子学领域的关注。然而，由于反射损耗和杂散衍射难抑制，高效率异常折射仍然是超表面领域的一个重要挑战，这限制了超表面光束扫描设备的效率和视场。
鉴于此，同济大学物理科学与工程学院王占山和程鑫彬团队提出了一种基于完美异常折射超表面的高效率半空间光束扫描系统，如图1所示。为实现完美异常折射，研究团队提出了通过增加纵向自由度激发多重散射过程优化对称性破缺的理念，构建了结合超表面与多层膜的准三维亚波长结构。为了消除反射损耗和杂散衍射，设计了一种具有特殊振幅和相位响应的多层膜，该薄膜对零阶传输波具有高透射率，对一阶传输波具有高反射率。通过上述设计，研究团队首次实现了完美异常折射，偏振不敏感的绝对效率超过99%。
图1 基于完美异常折射超表面的高效率半空间光束扫描系统
研究团队利用磁控溅射、电子束光刻、反应离子刻蚀等技术进行了准三维亚波长结构的制备，通过光谱表征，异常折射效率最高可达93%。在此基础上，研究团队进一步提出了级联准三维亚波长结构非同轴光束扫描系统，如图2所示。通过独立旋转两个级联的准三维亚波长结构，实验展示了半空间光束扫描，实现了144°×144°的视场，最大效率超过86%。通过降低旋转速率比，可以提高扫描轨迹密度，提升分辨率。
图2 级联光束扫描效果
该工作为高效率超表面的设计提供了新的思路，有望激发更多的高性能超构表面设备和系统。
同济大学助理教授何涛、博士后李冬冬为论文共同第一作者，王占山教授、程鑫彬教授为论文共同通讯作者。对论文具有突出贡献的合作者还包括同济大学博士生李程峰、博士生梁海刚、博士生冯超、助理教授朱静远、谢凌云博士、助理教授董思禹、施宇智教授、顿雄特聘研究员、魏泽勇副教授等。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-58502-1
