“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。
01 导读
近日，复旦大学物理学系/应用表面物理国家重点实验室周磊教授和何琼教授团队，提出并实验验证了基于双层超构表面体系实现消色差无反射背景下自由调控光的透射行为和吸收特性的新方法。 该团队首次揭示了层间距离可以作为一个全新的自由度来调控体系中的近场耦合和远场耦合强度，并指出当体系满足Kerker条件即可实现消色差无反射特性，引入欧姆吸收可在一定程度上实现透射光在透射通道和吸收通道之间的能量自由切换。 相关研究成果以“Manipulating light transmission and absorption via an achromatic reflectionless metasurface”为题，于2023年1月发表在PhotoniX 上。
图1基于双层结构的消色差无反射超构表面器件 2023 | 前沿进展 自由调控光的透反射、吸收和散射等特性，在能源、信息和生物医疗等领域都具有广阔的应用前景，因此也备受业内外专家关注。 在不同应用场景下，相关的光调控器件需要具有特定的能量传输方式，例如全吸收、完美透射或全反射。 然而，在不同能量传输通道中，能量总是以复杂的方式相互耦合。 因此如何在亚波长厚度的体系中实现透射和吸收之间的完美切换也是极具挑战的课题。 超构表面是将亚波长人工微结构（即人工原子）按照特定的宏观排列方式构建而成的平面型超构材料。超构表面也因其体系薄、制备简单、调控自由度多和易集成等优势，引起了国内外科学家的广泛关注，从而实现了诸多超乎寻常的电磁波调控功能。然而，在前人实现的完美吸收/透射超构表面体系中，在工作频带之外总是会出现强烈反射特性。最近，人们利用两种分别具有电响应和磁响应的共振模式在特定条件（例如，Kerker条件）下的干涉相消特性构建出了无反射超构表面。但是，由于上述两个共振模式通常具有不同的频率色散特性，在大多数情况下器件只能在单个频率或某个窄带下满足Kerker条件。尽管通过数值模拟和优化结构可以一定程度上拓展无反射特性的带宽，但是要完美解决上述问题，需要人们能够发现新的物理机制来指导消色差无反射超构表面的设计与实现。 团队提出了一种全新的基于双层结构超构表面实现消色差无反射电磁特性的新方法。不同于常规由同平面共振体构建的超构表面，该工作研究对象是由处在两个不同平面上的共振体阵列构建的双层超构表面体系。创新之处在于利用共振体阵列的层间距离这一自由度，实现了对共振体间近场耦合和远场耦合强度的定量、独立调节，并基于耦合模理论构建的普适相图，指导实现具有特定光学响应的新型光子共振体系。 基于双通道双模式耦合模理论计算，团队首先建立了一个普适性的相图，揭示了该类体系中反射信号是如何随着共振体间的近场和远场耦合而变化的（图2）。团队发现只要两个耦合强度满足一定条件，Kerker条件就可以在所有频率下严格满足，即实现消色差的无反射。同时，这也为实现具有任意线型光学响应的设计提供了明确指导。 图2 双通道双模式光子共振体系的耦合强度普适相图
由于真实体系往往不可避免地具有吸收损耗，团队紧接着对于带有不同吸收阻尼参数的模式对体系通道间能量分配的影响进行了讨论。团队发现，改变体系的欧姆损耗并不会使系统打破Kerker 条件，这意味着体系可以保持宽频无反射的前提下实现透射光在透射和吸收通道之间的能量再分配。同时，欧姆损耗还能够影响体系的透射相位，通过连续调控欧姆损耗，体系的透射相位可以在欠阻尼相区与过阻尼相区自由切换，相区的边界则正好对应体系的完美吸收点。 为了验证上述理论思想，团队通过设计以及运用光频段的双层套刻技术制备了一系列的双层超构表面，并通过光波段实验展示了真实体系的几何参数会如何调制两个耦合强度，进而驱动它们在相图中的移动来调制体系的反射率。最终，团队实现了满足Kerker条件的超构表面，并通过实验验证了超宽带的无反射现象（实验中160~220 THz，模拟中0~225 THz）和203 THz 附近的全吸收特性（图3）。 图3 消色差无反射超表面的实验验证及仿真真实结构的通道间能量调控效果
周磊教授团队在该工作中通过调节双层共振体阵列的层间距离，实现对超构表面体系种的近场耦合和远场干涉耦合的自由调控，进而实现了对相关光子共振体系光学特性的有效调制。 团队基于耦合模理论建立的普适相图成功揭示了相关耦合参数与真实结构参数的联系，为进一步指导设计满足特定需求的光学响应提供了有效手段。 团队进一步在光频段实验上实现了消色差的无反射器件，并在该透射体系下实现光在吸收和透射通道中的完美切换。 这在未来传感、隐身、能量收集甚至主动波前控制等领域都有广阔的应用前景。 复旦大学物理学系博士生郑晓颖、博士后林婧为论文共同第一作者，复旦大学物理学系周磊教授、何琼教授、林婧博士后为论文共同通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划、上海市科委、中国博士后基金等经费的支持。 https://doi.org/10.1186/s43074-022-00078-w
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