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近期，暨南大学光子技术研究院与南方科技大学材料科学与工程系的联合研究团队在超构表面全息及光场偏振态调控方面的研究中取得重要进展。他们提出了一类全新的双原子超构表面结构，实现了具有任意偏振态分布的矢量全息。实验通过对每个超构分子中的超构原子对进行平移与旋转操作，在不改变超构原子形状与大小的情况下，实现了对光波前相位和偏振的完全独立调控。进一步研究发现这种调控方式能够在宽波段范围内保持无色散特性。
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超构表面（Metasurface）作为一种新兴的光场调控平台，在超薄的平面结构中能对任意光场的相位、振幅等多个维度实施精准调控，因此其在光学透镜、涡旋光束、全息器件、结构色彩等领域应用广泛。通过调节亚波长单元结构即超构原子的形状、大小与转角，人们实现了超薄消色差透镜、高效率高质量全息显示等功能，而这些功能在传统方法中需要通过庞大的系统或复杂的光路才能实现。特别地，超构表面多自由度的探索为同时操控光波前相位与偏振态等多个属性提供了可能，为开发全息加密、全息存储等新型光场调控应用带来了契机。然而现有超构表面结构及其设计理念具有一定的局限性，仅能实现正交偏振态的操控与复用，而任意偏振态分布的矢量全息的实现仍然面临巨大挑战。
该研究提出了一种全新的超构表面设计理论，在每个单元结构里面构造一个由双超构原子组成的超构分子，如图1（a）所示。每个超构原子的形状与大小都保持不变，仅通过两个超构原子的局部间距s、全局间距p、以及面内转角ψ三个独立自由度参数，便能对任意光场的偏振态与相位实施局部逐点调控，并且三个结构自由度参数对光场偏振与相位参数的调制关系是简单的线性关系。不同于传统超构表面设计中采用的多个离散大小或形状超构原子的方式，该研究中所涉及到的自由度参数在宽波段范围内均连续可调，为精确构建复杂矢量光场提供了方便有效的途径。
图1 双原子超构表面的设计理论图。（a）超构分子各自由度参数与光场相位与偏振态参数的解析调制关系；（b）双原子超构表面的全貌示意图及任意偏振态分布矢量全息效果图
通过自由调控各个超构分子中的间距及转角参数，便能产生任意偏振态分布（同时产生线偏振、圆偏振及椭圆偏振态空间任意分布）的矢量全息像，如图1（b）所示。为了验证此新型超构表面设计方案的正确性，研究者们设计了如图2（a）所示的目标全息像，即分别具有竖直线偏振、水平线偏振、右旋圆偏振及左旋圆偏振态的VHRL字母图像。此矢量全息像的产生，可以通过设计四组不同类型超构分子的方式加以实现，如图2（b）所示。每组参数 [(pi, si, ψi)，i=1, 2, 3, 4] 将产生一组特定的偏振态及相位分布。当线偏振入射光照射到此超构表面结构时，将产生具有不同偏振态分布的字母图样。这种全息像的矢量特性在宽波段范围内都是有效的，如图2（c）所示，在可见光670 nm及近红外780 nm的实验结果充分证明了这一点。
图2 可产生任意偏振与图案分布的超构表面矢量全息图。（a）矢量全息重现像示意图，及其所实现超构表面的电镜图；（b）相应超构分子的构造图；（c）应用不同偏振器检偏所获得的全息重现像图
基于此双原子超构表面矢量全息，可以开发诸多潜在应用。例如，利用超构分子对任意偏振态的操控特性，在超构表面的入射端与出射端分别控制光场的偏振态，可以通过前后两个正交偏振态的组合，实现多态密匙的全息防伪应用。只有当前后两种偏振态都选择正确的时候，才能出现正确的图案，这增强了全息防伪的安全级别，如图3（a）所示。另外，通过选取适当的超构分子，可以将两组全息分别加载到入射端与出射端两组任意正交偏振态的组合上。图3（b）演示了利用入射端一组正交的线偏振光，或是出射端一组正交的圆偏振光实现对两个全息像的切换，即双路全息开关的功能。
图3 利用双原子超构表面矢量全息图实现的（a）多态密匙全息防伪应用及（b）偏振全息双路开关应用
该研究提出的双原子超构表面不同于以往超构表面依赖于超构原子的形状与大小的调控，而仅仅通过平移及旋转相同超构原子的方式，便能对光场的相位与偏振实施同时独立调控。这种方式具有连续调相、纳米制备精度要求低等优势。由于此调控方式在本质上不依赖于入射光的波长与入射角，因此有利于开发宽频宽角的超构表面光学器件。虽然本研究工作在反射式的金属超构表面平台上展示，但所涉及的新型超构表面设计理念同样可以推广到透射式全电介质超构表面结构中。
该项研究成果近期以“Diatomic Metasurface for Vectorial Holography”为题，发表在Nano Letters (DOI: 10.1021/ acs.nanolett.8b00047)上。暨南大学光子技术研究院邓子岚副教授和南方科技大学邓俊鸿博士为共同第一作者，南方科技大学李贵新教授和暨南大学光子技术研究院李向平教授为共同通讯作者。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b00047
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鼎信优威专注于弱光探测领域，涵盖从光源到探测的整个系统。主要产品有美国PI科学级CCD相机与单色仪，瑞典COBOLT的DPSS激光器，美国SEMROCK 的荧光与RAMAN滤光片，德国BECKER-HICKL 的TCSPC 单光子探测系统，瑞士苏黎世仪器的LOCK-IN 放大器。
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