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功能(neng)動態可調(diao)(diao)的(de)(de)超(chao)表面在光(guang)(guang)(guang)學系統受(shou)到廣泛關注，在激光(guang)(guang)(guang)雷達(da)、裸(luo)眼3D顯示、OAM(orbital angular momentum，角動量)光(guang)(guang)(guang)束復用(yong)/解(jie)復用(yong)、變焦(jiao)超(chao)透鏡等(deng)(deng)諸多場景(jing)中具有廣泛的(de)(de)應用(yong)潛力。已有可調(diao)(diao)超(chao)表面的(de)(de)主要實現(xian)方(fang)式為使用(yong)電(dian)光(guang)(guang)(guang)、機(ji)械、相變等(deng)(deng)機(ji)制(zhi)，從而(er)(er)在亞波長尺度重(zhong)構超(chao)表面的(de)(de)結構。然而(er)(er)，逐像(xiang)素的(de)(de)電(dian)光(guang)(guang)(guang)調(diao)(diao)制(zhi)需要復雜的(de)(de)電(dian)極排布，規(gui)模(mo)難以擴展;機(ji)械、相變等(deng)(deng)機(ji)制(zhi)可實現(xian)的(de)(de)功能(neng)和(he)通道數受(shou)限(xian)。另外一種控制(zhi)方(fang)式則是改(gai)變入射光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)性質，而(er)(er)不重(zhong)構超(chao)表面本身，包括角度、波長、OAM、偏(pian)振等(deng)(deng)。這種方(fang)式的(de)(de)可調(diao)(diao)自由(you)度往(wang)往(wang)受(shou)限(xian)，因此可實現(xian)的(de)(de)功能(neng)和(he)通道數依舊受(shou)限(xian)，如何進一步拓展可調(diao)(diao)超(chao)表面的(de)(de)功能(neng)通道數目仍是亟待解(jie)決的(de)(de)難題(ti)。
近日，清華大學電子工(gong)程系黃(huang)翊東(dong)教(jiao)授團隊馮雪(xue)副(fu)教(jiao)授的研究小組在(zai)超表(biao)面(mian)的多通(tong)道可(ke)調(diao)光(guang)(guang)場操控方面(mian)取(qu)得研究進展。他們提出(chu)了(le)(le)一種利用(yong)N層偏振(zhen)相(xiang)關超表(biao)面(mian)結(jie)合偏振(zhen)控制器(qi)(qi)的級(ji)聯(lian)架構，將偏振(zhen)相(xiang)關超表(biao)面(mian)的可(ke)調(diao)通(tong)道數由2個(ge)提升至(zhi)2N個(ge)，并且原理上無內稟損(sun)耗和串(chuan)擾，適(shi)用(yong)的功(gong)能包(bao)括動態(tai)(tai)波束偏轉、動態(tai)(tai)可(ke)調(diao)階(jie)(jie)次的渦(wo)旋光(guang)(guang)束產生、變焦超透鏡等。實驗上通(tong)過3層超表(biao)面(mian)結(jie)合液晶(jing)偏振(zhen)延遲器(qi)(qi)的級(ji)聯(lian)，實現了(le)(le)8通(tong)道可(ke)調(diao)階(jie)(jie)次的渦(wo)旋光(guang)(guang)束產生以及8通(tong)道動態(tai)(tai)波束偏轉，同時(shi)支持電調(diao)切(qie)換，驗證(zheng)了(le)(le)該架構的可(ke)行性。
圖(tu)(tu)1.N層偏振相關超表面結合偏振控制器的級聯架構(gou)示意(yi)圖(tu)(tu)
由(you)(you)于偏(pian)振自由(you)(you)度僅(jin)為2的(de)限(xian)制(zhi)，在不引入其(qi)他(ta)元件或串擾的(de)情(qing)況下(xia)，無法通過(guo)單(dan)個(ge)偏(pian)振相關(guan)超(chao)表面(mian)實現超(chao)過(guo)2個(ge)的(de)獨立(li)通道。因此，偏(pian)振相關(guan)超(chao)表面(mian)的(de)可(ke)調通道數量(liang)難以(yi)得(de)到突破，限(xian)制(zhi)了(le)其(qi)可(ke)擴展性和應用潛力。
為了提升通道(dao)數(shu)量，研究(jiu)團隊采用(yong)N個(ge)(ge)偏(pian)(pian)振(zhen)相(xiang)關超表(biao)面進行級(ji)(ji)聯，同時在每個(ge)(ge)超表(biao)面前增加(jia)一個(ge)(ge)偏(pian)(pian)振(zhen)控制器，使得該超表(biao)面的輸(shu)入(ru)光(guang)可在2個(ge)(ge)正交偏(pian)(pian)振(zhen)態間切換。此(ci)時，整(zheng)個(ge)(ge)級(ji)(ji)聯結構中的光(guang)偏(pian)(pian)振(zhen)態將具有2N種組合(he)，對(dui)應的等效波前操控模板(ban)也具有2N種情況(kuang)。然而(er)，這些模板(ban)間具有相(xiang)關性，自由度僅為N+1，無法對(dui)應2N個(ge)(ge)任意的功(gong)能進行設計。
研究(jiu)團隊(dui)進一步發現，對(dui)于(yu)特定功(gong)能(neng)(neng)(neng)(波束(shu)偏(pian)轉(zhuan)(zhuan)、渦旋光束(shu)產生、透鏡)所需的(de)波前(qian)操控(kong)(kong)模板，同類(lei)(lei)功(gong)能(neng)(neng)(neng)級(ji)聯(lian)(lian)(lian)疊(die)加后依舊(jiu)是該類(lei)(lei)功(gong)能(neng)(neng)(neng)，而(er)對(dui)應(ying)參數(shu)(偏(pian)轉(zhuan)(zhuan)角正弦(xian)值、拓(tuo)撲荷數(shu)、焦距(ju)倒數(shu))在此(ci)過程中(zhong)加法疊(die)加。因此(ci)，如果級(ji)聯(lian)(lian)(lian)結構(gou)中(zhong)所有超表面(mian)的(de)所有偏(pian)振通道都設置(zhi)為同類(lei)(lei)功(gong)能(neng)(neng)(neng)且參數(shu)不(bu)同，則級(ji)聯(lian)(lian)(lian)后的(de)2N種波前(qian)操控(kong)(kong)功(gong)能(neng)(neng)(neng)也均為該類(lei)(lei)功(gong)能(neng)(neng)(neng)，且具有各不(bu)相同的(de)參數(shu)，由此(ci)可以設計(ji)出2N個不(bu)同且無串擾(rao)的(de)功(gong)能(neng)(neng)(neng)通道。
實(shi)驗(yan)上，研(yan)究(jiu)團(tuan)隊通(tong)過3層(ceng)超表面(mian)的級聯架(jia)構(gou)(gou)實(shi)現了(le)8通(tong)道(dao)(dao)可(ke)調階次的渦(wo)旋(xuan)光束產生以(yi)及(ji)8通(tong)道(dao)(dao)動態波束偏轉(zhuan)，對上述方(fang)案進行了(le)驗(yan)證。基于不同的超表面(mian)級聯組合，渦(wo)旋(xuan)光束的拓撲荷數(shu)(topological charge, TC)可(ke)在l=-3~+4或l=-1~-8間切(qie)換(huan)，前者(zhe)效率在31.6%~33.7%范圍內。波束偏轉(zhuan)的方(fang)向可(ke)按8×1一(yi)維排列或4×2二(er)維排列，效率均在15%~25%范圍內。同時，所使用的偏振控制器(qi)均為(wei)可(ke)電調的液晶(jing)偏振延遲(chi)器(qi)(liquid crystal phase retarder)，因此該實(shi)驗(yan)架(jia)構(gou)(gou)可(ke)以(yi)電調切(qie)換(huan)通(tong)道(dao)(dao)。
圖2.8通道可調階次的渦旋(xuan)光束產生架構示(shi)意(yi)圖及實驗結果
圖3. 8通(tong)道動態(tai)波束(shu)偏轉(zhuan)架構(gou)示(shi)意圖及(ji)實驗結(jie)果
9月27日，相(xiang)關研究成果以“基于(yu)N層級聯偏振相(xiang)關超(chao)表面的可電(dian)調(diao)2N通(tong)道特定(ding)功能波前操控”(Electrically switchable 2N-channel wave-front control for certain functionalities with N cascaded polarization-dependent metasurfaces)為題，在線發表于(yu)《自然(ran)·通(tong)訊》(Nature Communications)。
清華(hua)大(da)學電子工(gong)程系黃翊(yi)東教授(shou)團隊2020級博士(shi)生馬致遙為論文第一作者，馮雪(xue)副教授(shou)和黃翊(yi)東教授(shou)為論文通訊作者。研究(jiu)得到國家重(zhong)點研發計劃(hua)和國家自然科學基金的支持。
論文鏈接：
//doi.org/10.1038/s41467-024-52676-w
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