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超構表面(Metasurface)是一種能在亞波長厚度范圍內對光場的偏振、振幅、相位進行靈活調控的人工設計的新型結構，可視為超構材料的二維(平面)對應。作為微納光學的前沿熱點，超構表面因其強大的光場調控能力、可批量制造性及超薄平面結構特性等，被廣泛用于各種微納結構功能器件中，實現(xiàn)諸如全息成像、平面透鏡、信息加密等功能。

自2011年超構表面概念首次提出，基于超構表面的光場調控的新原理、新技術以及新應用不斷涌現(xiàn)，包括了各種各樣的光場調控功能和器件。這些光場調控看似功能迥異、各有不同，但在數(shù)學上都可以用一個2×2的瓊斯矩陣統(tǒng)一描述，這些不同的功能器件都可歸納于不同自由度瓊斯矩陣的調控。

瓊斯矩陣通常用于描述光學器件對光的偏振、振幅、相位的調控能力，共包含8個參數(shù)自由度。能調控的自由度越多，意味著對光場的調控能力越強，實現(xiàn)的功能也越豐富。對于單層結構，由于平面結構的對稱性，其自由度最多只能達到6個。

近日，暨南大學納米光子學研究院教授李寶軍、包燕軍等研究人員實現(xiàn)了自然界結構對光場的最普適以及最高自由度的調控。在該項工作中，李寶軍團隊基于雙層超構表面結構，結合梯度下降算法和巧妙的結構設計，實現(xiàn)了自然界中結構所能達到的最大8個自由度的光場調控，并且給出傳統(tǒng)設計方法所不能實現(xiàn)的光場調控功能，諸如：實現(xiàn)了對任意兩種偏振態(tài)(可非正交)振幅和相位的獨立調控；引入雙層結構之間旋轉自由度，與4種入射及探測偏振態(tài)相結合，實現(xiàn)了高達16種的獨立全息圖像。

該項工作的重要意義在于首次實現(xiàn)了自然界結構對光場的最普適以及最高自由度的調控，從而為自然界所允許的任意復雜光學功能的實現(xiàn)奠定了很好的基礎。

相關成果Observation of full-parameter Jones matrix in bilayer metasurface于近日發(fā)表在期刊《自然通訊(Nature Communications)》。

資料來源：中國科學報

關鍵詞： 瓊斯矩陣 平面結構 功能器件