Optica:掠射下超宽频无反射吸收的布儒斯特超表面

撰稿|由课题组供稿

近日，苏州大学罗杰副研究员课题组、南京大学赖耘教授课题组、苏州城市学院高雷副校长课题组合作，提出了在掠射下超宽频无反射吸收的布儒斯特超表面。布儒斯特超表面的物理机理在于反常广义布儒斯特效应，由简单的非谐振结构单元构成，不需要特别的磁响应，因而拥有超大的无反射带宽，原则上可以从准静场一直到光频段。研究成果题目为“Brewster metasurfaces for ultra-broadband reflectionless absorption at grazing incidence”发表在《Optica》上。苏州大学物理学院硕士研究生范辉颖、南京大学褚宏晨助理研究员为论文的第一作者，苏州大学罗杰副研究员、南京大学赖耘教授和苏州城市学院高雷副校长为通讯作者。

图1. 在掠射下超宽频无反射吸收的布儒斯特超表面

电磁波/光波的无反射操控在电磁和光学领域中具有重要意义，如光场调控、聚焦透镜、电磁隐身等。然而，要实现无反射操控并非易事，因为这需要系统地将包括反射、透射、吸收甚至散射在内的多个波通道同时考虑进来，尤其是对于掠射情形（即入射角接近90°），因为此时波阻抗趋于零或无穷大。在传统光学中，实现超宽频无反射的重要方法是利用布儒斯特效应。然而，从布儒斯特角的公式（光波从空气中入射到相对介电常数为的介质上）可以看出，这种方法缺少对透射波调控的自由度，尤其是关于吸收的调控。当存在介电吸收（为复数）时，变成了复数，这意味着此时对于任意的（实数）入射角，必然会导致反射。不仅如此，对于接近90°的布儒斯特角（即掠射情形），介质的相对介电常数将趋于无穷大，因此，经典儒斯特效应将在掠射下丧失了实际应用价值（图2a、2b）。

为了解决上述问题，研究团队在去年提出的反常布儒斯特效应（Light Sci. Appl. 10, 89 (2021)；Phys. Rev. Applied 16, 044064 (2021)）的基础上，进一步提出了布儒斯特超表面这一新概念，可以在掠射下实现超宽频无反射的同时，对透射电磁波/光波实现任意操控，包括折射角与吸收率。布儒斯特超表面结合了广义布儒斯特效应和反常布儒斯特效应的功能。广义布儒斯特效应保证了掠射下的超宽频无反射，而反常布儒斯特效应则引入了额外的参数自由度（结合材料的各向异性与光学互易原理），最终实现了对电磁波/光波的超宽频无反射操控。值得一提的是，这里不需要高介电常数的介电材料（图2c）。

图2. (a, b)经典布儒斯特效应缺少对透射波调控的自由度，尤其是吸收的调控，当入射波为掠射时，需要趋于无穷大介电常数的介电材料。(c)该工作提出的反常广义布儒斯特效应，可以在掠射入射时实现超宽带的无反射的同时，对透射波实现任意操控，包括折射角与吸收率，而不需要高介电常数的介电材料。

这里研究团队展示了一种布儒斯特超表面，可以在掠射下实现对电磁波/光波的超宽频无反射吸收。值得一提的是，其物理机制完全不同于传统的无反射超表面，例如惠更斯超表面。惠更斯超表面的机理是基于电谐振结构和磁谐振结构的共同调制，因而无反射带宽往往较窄；而布儒斯特超表面则是由简单的非谐振结构单元构成，不需要特别的磁响应，因而拥有超大的工作带宽，原则上可以从准静场一直到光频段。

研究团队利用ITO薄膜和亚克力板设计了微波频段的布儒斯特超表面，并通过远场透射、反射和吸收的测量，以及近场电场的扫描，验证了布儒斯特超表面在70°入射角下5-15GHz范围内的无反射高效吸收（图3）。进一步地，还利用Cr薄膜和二氧化硅平板设计了光频段的布儒斯特超表面，并通过仿真验证了其在80°入射角下500-1600nm范围内的无反射高效吸收（图4）。

图3. 由ITO薄膜和亚克力板设计的微波频段的布儒斯特超表面的设计与实验验证。

图4. 由Cr薄膜和二氧化硅平板设计的光频段的布儒斯特超表面的设计与仿真验证。

该工作为掠射下电磁波/光波的超宽频无反射操控提供了新理论与新方法。该工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金的支持。

文章链接：

https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-9-10-1138&id=509744.