中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
功能動(dòng)態(tài)可調的超構表面在光學(xué)系統受到廣泛關(guān)注，在激光雷達、裸眼3D顯示、OAM（orbital angular momentum，角動(dòng)量）光束復用/解復用、變焦超透鏡等諸多場(chǎng)景中具有廣泛的應用潛力。已有可調超構表面的主要實(shí)現方式為使用電光、機械、相變等機制，從而在亞波長(cháng)尺度重構超構表面的結構。然而，逐像素的電光調制需要復雜的電極排布，規模難以擴展；機械、相變等機制可實(shí)現的功能和通道數受限。另外一種控制方式則是改變入射光的性質(zhì)，而不重構超構表面本身，包括角度、波長(cháng)、OAM、偏振等。這種方式的可調自由度往往受限，因此可實(shí)現的功能和通道數依舊受限，如何進(jìn)一步拓展可調超構表面的功能通道數目仍是亟待解決的難題。
近日，清華大學(xué)電子工程系黃翊東教授團隊馮雪副教授的研究小組在超構表面的多通道可調光場(chǎng)操控方面取得研究進(jìn)展。他們提出了一種利用N層偏振相關(guān)超構表面結合偏振控制器的級聯(lián)架構，將偏振相關(guān)超構表面的可調通道數由2個(gè)提升至2^N個(gè)，并且原理上無(wú)內稟損耗和串擾，適用的功能包括動(dòng)態(tài)波束偏轉、動(dòng)態(tài)可調階次的渦旋光束產(chǎn)生、變焦超透鏡等。實(shí)驗上通過(guò)3層超構表面結合液晶偏振延遲器的級聯(lián)，實(shí)現了8通道可調階次的渦旋光束產(chǎn)生以及8通道動(dòng)態(tài)波束偏轉，同時(shí)支持電調切換，驗證了該架構的可行性。
圖1 N層偏振相關(guān)超構表面結合偏振控制器的級聯(lián)架構示意圖
由于偏振自由度僅為2的限制，在不引入其他元件或串擾的情況下，無(wú)法通過(guò)單個(gè)偏振相關(guān)超構表面實(shí)現超過(guò)2個(gè)的獨立通道。因此，偏振相關(guān)超構表面的可調通道數量難以得到突破，限制了其可擴展性和應用潛力。
為了提升通道數量，研究團隊采用N個(gè)偏振相關(guān)超構表面進(jìn)行級聯(lián)，同時(shí)在每個(gè)超構表面前增加一個(gè)偏振控制器，使得該超構表面的輸入光可在2個(gè)正交偏振態(tài)間切換。此時(shí)，整個(gè)級聯(lián)結構中的光偏振態(tài)將具有2^N種組合，對應的等效波前操控模板也具有2^N種情況。然而，這些模板間具有相關(guān)性，自由度僅為N+1，無(wú)法對應2^N個(gè)任意的功能進(jìn)行設計。
研究團隊進(jìn)一步發(fā)現，對于特定功能（波束偏轉、渦旋光束產(chǎn)生、透鏡）所需的波前操控模板，同類(lèi)功能級聯(lián)疊加后依舊是該類(lèi)功能，而對應參數（偏轉角正弦值、拓撲荷數、焦距倒數）在此過(guò)程中加法疊加。因此，如果級聯(lián)結構中所有超構表面的所有偏振通道都設置為同類(lèi)功能且參數不同，則級聯(lián)后的2^N種波前操控功能也均為該類(lèi)功能，且具有各不相同的參數，由此可以設計出2^N個(gè)不同且無(wú)串擾的功能通道。
實(shí)驗上，研究團隊通過(guò)3層超構表面的級聯(lián)架構實(shí)現了8通道可調階次的渦旋光束產(chǎn)生以及8通道動(dòng)態(tài)波束偏轉，對上述方案進(jìn)行了驗證?；诓煌某瑯嫳砻婕壜?lián)組合，渦旋光束的拓撲荷數（topological charge, TC）可在l=-3~+4或l=-1~-8間切換，前者效率在31.6%~33.7%范圍內。波束偏轉的方向可按8×1一維排列或4×2二維排列，效率均在15%~25%范圍內。同時(shí)，所使用的偏振控制器均為可電調的液晶偏振延遲器（liquid crystal phase retarder），因此該實(shí)驗架構可以電調切換通道。
圖2 8通道可調階次的渦旋光束產(chǎn)生架構示意圖及實(shí)驗結果
圖3 8通道動(dòng)態(tài)波束偏轉架構示意圖及實(shí)驗結果
9月27日，相關(guān)研究成果以“基于N層級聯(lián)偏振相關(guān)超構表面的可電調2^N通道特定功能波前操控”（Electrically switchable 2^N-channel wave-front control for certain functionalities with N cascaded polarization-dependent metasurfaces）為題，在線(xiàn)發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
清華大學(xué)電子工程系黃翊東教授團隊2020級博士生馬致遙為論文第一作者，馮雪副教授和黃翊東教授為論文通訊作者。研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金的支持。
