近日，复旦大学物理学系、复旦大学应用表面物理国家重点实验室、上海市超构表面光场调控重点实验室周磊教授团队和香港科技大学刘通博士，香港浸会大学王冬逸博士合作，提出了一种通用策略来设计并实现高效双通道超构表面器件，该器件可以在两个空间天然不重叠的通道（即近场和远场通道）中实现功能解锁的波前调控。相关成果以 “Multiplexing near- and far-field functionalities with high-efficiency bi-channel metasurfaces”为题于2024年4月15日发表在PhotoniX上。

作为重要的信息载体，光可以作为传播波在三维自由空间中传播，也可以作为表面波束缚在介质/金属界面上移动。以所需的方式控制传播波和表面波对于光子学研究和应用至关重要。然而，由于自然材料的光与物质相互作用较弱且在光频率下缺乏磁响应，用来调控传播波和表面波的传统光学器件通常尺寸庞大且功能受限。而超构表面作为由亚波长微结构按特定全局序排列而成的平面超构材料，通过设计单个人工微纳结构的反射/透射相位及其全局排列序，可以实现诸多波前调控效应。此外，基于对不同偏振入射光具有不同光学响应的单元胞构成多功能超构表面，可以在不同偏振的光照射下表现出预先设计的不同波前调控功能。然而，尽管前人已进行了大量多功能器件的研究，但迄今为止实现的器件仍局限于单通道（即远场或近场通道）中来调控光。考虑到远场和近场通道对于光子应用都很重要，如果能实现同时利用两种不同的光传播模式的器件，将极大推动集成光学应用的发展。

基于此背景，研究人员提出了一种设计双通道超构表面的通用策略，并通过实验证明此类器件可以工作在光通信波长下的两个通道中表现出完全解锁的波前调制功能。研究者首先设计一组同时具有偏振无关结构共振相位和偏振依赖旋转几何相位的单元胞，如图1所示。接着利用此类单元胞来设计在近场和远场具有完全不同相位分布的双通道超构表面，从而实现在两种自旋极化光入射下独立的波前调控功能。特别地，与近场功能相对应的相位分布应包含相位梯度项（其中大于真空中的波矢），以实现由入射传播波到表面波的转换。遵此设计策略，作者设计并制备了三种不同的超构表面器件，并实验表征了它们的双通道波前调控功能。文中实验结果表明，前两个器件在左旋圆偏光和右旋圆偏光照射下分别在近远场生成了携带不同阶数拓扑荷的光学涡旋，而第三个器件可以在左旋圆偏光的激发下实现近场表面等离激元的异常偏折聚焦和右旋圆偏光激发下在远场生成预设的全息图，如图2所示。该论文的研究结果将超构表面的波前调控功能拓展到全空间的不同传输通道，这将为集成光子学的应用提供新思路。

图1：单元胞设计策略和三个半波片的表征

图2：器件III的功能示意图、样品照片和实验表征

上述研究工作发表在[PhotoniX 5,11(2024). https://doi.org/10.1186/s43074-024-00128-5]，复旦大学为该工作的第一单位。我系博士生戴昌红和香港科技大学刘通博士为共同第一作者；香港浸会大学王冬逸博士和我系周磊教授为共同通讯作者。研究工作得到了国家重点研发项目(Grant No.2022YFA1404701)，国家自然科学基金项目(Grant Nos. 12221004, 62192771)和上海市自然科学基金项目(Grant No. 23dz2260100)的支持。