暨南大學(xué)等實(shí)現(xiàn)自然界最高自由度的超構(gòu)表面光場(chǎng)調(diào)控

近日，暨南大學(xué)納米光子學(xué)研究院教授李寶軍、包燕軍等研究人員實(shí)現(xiàn)了自然界結(jié)構(gòu)對(duì)光場(chǎng)的最普適以及最高自由度的調(diào)控。相關(guān)研究發(fā)表于Nature Communications。

超構(gòu)表面是一種能在亞波長(zhǎng)厚度范圍內(nèi)對(duì)光場(chǎng)的偏振、振幅、相位進(jìn)行靈活調(diào)控的人工設(shè)計(jì)的新型結(jié)構(gòu)，被廣泛用于各種微納結(jié)構(gòu)功能器件中，實(shí)現(xiàn)諸如全息成像、平面透鏡、信息加密等功能。超構(gòu)表面概念自2011年被提出后，已有約五萬(wàn)篇相關(guān)文章發(fā)表，包括了各種各樣的光場(chǎng)調(diào)控功能和器件。這些光場(chǎng)調(diào)控看似功能迥異、各有不同，但在數(shù)學(xué)上都可以用一個(gè)2×2的瓊斯矩陣統(tǒng)一描述，這些不同的功能器件都可歸納于不同自由度瓊斯矩陣的調(diào)控。

瓊斯矩陣通常用于描述光學(xué)器件對(duì)光的偏振、振幅、相位的調(diào)控能力，共包含8個(gè)參數(shù)自由度。能調(diào)控的自由度越多，意味著對(duì)光場(chǎng)的調(diào)控能力越強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)的功能也越豐富。對(duì)于單層結(jié)構(gòu)，由于平面結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，其自由度最多只能達(dá)到6個(gè)。在前期的工作中（Sci. Adv. 2021, 7, eabh0365），李寶軍團(tuán)隊(duì)突破傳統(tǒng)超構(gòu)表面設(shè)計(jì)方法限制，實(shí)現(xiàn)了6個(gè)自由度上限的單層超構(gòu)表面的瓊斯矩陣光場(chǎng)調(diào)控。

具有8個(gè)參數(shù)自由度的瓊斯矩陣和先進(jìn)光場(chǎng)調(diào)控的應(yīng)用示例

具有8個(gè)參數(shù)自由度的瓊斯矩陣設(shè)計(jì)和測(cè)量結(jié)果

在該項(xiàng)工作中，李寶軍團(tuán)隊(duì)基于雙層超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)，結(jié)合梯度下降算法和巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了自然界中結(jié)構(gòu)所能達(dá)到的最大8個(gè)自由度的光場(chǎng)調(diào)控，并且給出傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法所不能實(shí)現(xiàn)的光場(chǎng)調(diào)控功能，諸如：實(shí)現(xiàn)了對(duì)任意兩種偏振態(tài)（可非正交）振幅和相位的獨(dú)立調(diào)控；引入雙層結(jié)構(gòu)之間旋轉(zhuǎn)自由度，與4種入射及探測(cè)偏振態(tài)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)16種的獨(dú)立全息圖像。

基于瓊斯矩陣和8個(gè)參數(shù)自由度的任意兩種偏振態(tài)集的獨(dú)立振幅和相位控制的實(shí)驗(yàn)演示

該項(xiàng)工作的重要意義在于首次實(shí)現(xiàn)了自然界結(jié)構(gòu)對(duì)光場(chǎng)的最普適以及最高自由度的調(diào)控，從而為自然界所允許的任意復(fù)雜光學(xué)功能的實(shí)現(xiàn)奠定了很好的基礎(chǔ)。

上述研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃培育項(xiàng)目、廣東省杰出青年基金等項(xiàng)目的資助。

論文信息：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-35313-2

審核編輯 ：李倩