立大学 L. Wang等人利用基于硅材料的超表面实现 了对光波相位的高效率调控,从而在透射模式下 非线性几何相仁 非线性多路全息成像 实现了效率高于90%的全息成像,如图5所示明 对光波调控效率的显著提高使得超表面在光 波调控硏究领域逐渐凸显出其重要地位。硏究人 员发现超表面不仅能够对光波的振幅、相位、偏 咔线性手性成像 振和频率单独地进行控制,还能够进一步实现对 这些参量的联合调控。目前,基于超表面实现对 光波的两个参量的联合调控是超表面光波调控研 究中的热门方向,相关研究具有广泛的应用前 景,如图6所示。可以看出,进一步实现对光 光子自旋一轨道耦合 光衍射强度控制 波的任意多个参量的联合控制是超表面光波调控 高分辨率全息成像 研究的未来发展趋势。2017年国家自然基金科学 图6超表面光波双参量调控及其应用方向 委员会发布新型光场调控物理及应用重大研究计 划,将超材料与超表面等人工纳微结构调控光场 的产生、传输、操控与表征的相关硏究列为新型 光场多维度精确构建、调控及表征方向的三个主 要研究内容之一,突显了我国对相关领域关键技 术原理的重大需求。 少层超表面 研究人员在超表面中采用电介质材料来增强 超表面光波调控效率的同时,提出了超表面少层 设计用以在透射模式下增强基于金属材料的超表 面对光波的调控效率。2013年,美国洛斯阿拉莫 斯国家实验室H.T.Chen教授及其研究团队通过 在超表面的前向和后向引入两个正交光栅的方式 在透射模式下分别实现了对光波偏振态和相位的 高效率调控,如图7所示叫。该工作被认为是基 于光波多次反射和干涉原理在透射模式下实现超 表面对光波高效率调控的代表性工作。与“金属 图7一种典型的超表面少层设计叫(a)超表面少层设计在 薄膜一电介质一金属微结构”设计方法的原理类 透射模式下实现高效率的光偏振态垂直转换的示意图;(b超 表面少层设计在透射模式 亚波长尺度高效率光相位 似,光栅结构和微结构间光波的多次反射和干涉 周控,进而实现光波前操控的示意图 效应极大地增强了微结构与光波的相互作用强 度,从而有效地提高了超表面对光波的调控效和层间波导效应等其他光与微结构相互作用机制 率。超表面的少层设计模式不仅能够利用光波在进一步为光波的多参量调控提供了新的设计自由 层间的多次反射和干涉效应来有效增强对光波的度,进而实现了许多超表面中无法实现的新光学 调控效率,少层设计中存在的层阃共振耦合模式现象。例如,通过利用双层矩形镂空结构间的层间· 48卷 (2019 年) 4 期 立大学L. Wang等人利用基于硅材料的超表面实现 了对光波相位的高效率调控，从而在透射模式下 实现了效率高于90%的全息成像，如图5所示[19] 。 对光波调控效率的显著提高使得超表面在光 波调控研究领域逐渐凸显出其重要地位。研究人 员发现超表面不仅能够对光波的振幅、相位、偏 振和频率单独地进行控制，还能够进一步实现对 这些参量的联合调控。目前，基于超表面实现对 光波的两个参量的联合调控是超表面光波调控研 究中的热门方向，相关研究具有广泛的应用前 景，如图 6 所示[20] 。可以看出，进一步实现对光 波的任意多个参量的联合控制是超表面光波调控 研究的未来发展趋势。2017年国家自然基金科学 委员会发布新型光场调控物理及应用重大研究计 划，将超材料与超表面等人工纳微结构调控光场 的产生、传输、操控与表征的相关研究列为新型 光场多维度精确构建、调控及表征方向的三个主 要研究内容之一，突显了我国对相关领域关键技 术原理的重大需求。 4 少层超表面 研究人员在超表面中采用电介质材料来增强 超表面光波调控效率的同时，提出了超表面少层 设计用以在透射模式下增强基于金属材料的超表 面对光波的调控效率。2013年，美国洛斯阿拉莫 斯国家实验室 H. T. Chen 教授及其研究团队通过 在超表面的前向和后向引入两个正交光栅的方式 在透射模式下分别实现了对光波偏振态和相位的 高效率调控，如图 7 所示[21] 。该工作被认为是基 于光波多次反射和干涉原理在透射模式下实现超 表面对光波高效率调控的代表性工作。与“金属 薄膜—电介质—金属微结构” 设计方法的原理类 似，光栅结构和微结构间光波的多次反射和干涉 效应极大地增强了微结构与光波的相互作用强 度，从而有效地提高了超表面对光波的调控效 率。超表面的少层设计模式不仅能够利用光波在 层间的多次反射和干涉效应来有效增强对光波的 调控效率，少层设计中存在的层间共振耦合模式 和层间波导效应等其他光与微结构相互作用机制 进一步为光波的多参量调控提供了新的设计自由 度，进而实现了许多超表面中无法实现的新光学 现象。例如，通过利用双层矩形镂空结构间的层间 图6 超表面光波双参量调控及其应用方向[20] 图7 一种典型的超表面少层设计[21] (a)超表面少层设计在 透射模式下实现高效率的光偏振态垂直转换的示意图；(b)超 表面少层设计在透射模式下实现亚波长尺度高效率光相位 调控，进而实现光波前操控的示意图 · 225 ·