原創 長光所Light中心 中國光學
封面圖來源：Samuel F. Pellicori, Pellicori Optical Consulting, USA
撰稿 | 王旭東（來源課題組投稿）
最近，湖南大學機械與運載工程學院的胡躍強與通訊作者段輝高等人以「All-Dielectric Metasurfaces for Polarization Manipulation: Principles and Emerging Applications」為題對介質超構表面光偏振調控的原理和新應用的研究進展進行了綜述，論文6月29日在線發表在《Nanophotonics》期刊上。
論文主要從三個方面進行綜述：
1. 總結介質超構表面的偏振調控機理，引出超構表面的「偏振+」功能框架，並總結了實現該框架的各類設計原理和方案。
2. 總結了基於「偏振+」框架下超構表面偏振相關的一些新興應用，包括偏振轉換、偏振分束、透鏡、偏振復用全息、納米印刷、多功能器件、偏振檢測、矢量渦旋光生成、量子光學。
3. 作者對全介質超構表面偏振調控進行總結和對未來發展的展望。
01
全文背景
超構表面是由特定設計的亞波長單元組成的二維平面元件，它為設計超緊湊型光學元件提供了一種新的方案，在光學系統微型化中具有很大潛力。超構表面通過調整單元的形狀、大小、方向和位置，在界面處引入相位梯度，可以任意地控制光波前的形狀。然而，等離子體型超構表面固有的歐姆損耗嚴重阻礙了其廣泛的應用。為了得到高效率的器件，人們提出了由高折射率全介質天線組成的超構表面，考慮材料的消光係數，針對不同的光波長應選擇不同的材料，在紅外甚至太赫茲波段，Si是一種優良的介質材料。在可見光波段，可選擇金屬氧化物或氮化物如TiO2、Ta2O5、HfO2、Si3N4等。
除了相位調控，超構表面還能夠調控光波的各種參數包括光振幅、頻率、偏振，從而具有豐富的功能，廣泛應用於完美吸收器、結構色、彩色全息、消色差元件、非線性光學等，這引起了科學界的廣泛興趣。這其中，與傳統光學元件相比，亞波長尺度像素的偏振調控是超構表面的一種獨特能力。結合相位和振幅的調控則可以實現更多的功能。近些年來，人們為充分利用超構表面的這一能力做了大量工作，展示了各種新功能和新應用。
02
全介質超構表面「偏振+」框架
光是一種橫波，即光場矢量的振動方向垂直於光波的傳播方向。而光場的振動方向往往相對於光波的傳播方向是不對稱的，這稱為光波的偏振性。偏振通常分解成x與y方向的電場分量，並用瓊斯矢量表示，從而進行計算。控制偏振就是控制兩個方向上電場的振幅和相位，因此需要在兩個方向上具有不同的材料性質，自然材料中很少有能在兩個正交方向上實現超過10%的折射率差異，而各向異性的介質納米結構通過結構參數調控可以為光的正交偏振態之間提供高的等效折射率對比度，從而為偏振調控提供了一個理想的平臺。作為雙折射元件，超構表面具有特定設計的單元結構可用於實現亞波長像素的偏振控制，如偏振轉換、偏振復用甚至複雜的矢量光束生成。在此基礎上，結合光相位和振幅的調節，可以實現更複雜的功能。如圖（1）所示，研究團隊將目前的研究分為純偏振調控、偏振和相位聯合調控、偏振和振幅聯合調控以及偏振、相位和振幅聯合調控，並提出了「偏振+」的概念。近些年，在此框架基礎上許多功能和應用被開發出來。由於偏振可以反映出豐富的有用信息，例如：材料特性、表面形貌信息、生物組織特性、光學活性和量子信息。因此具有強大的偏振調控能力的超構表面將應用於遙感、生物學、醫學、顯微鏡、光通信和量子科學等多個領域，其多參數調控有利於實現光學系統的小型化。
圖（1）基於全介質超構表面的「偏振+」框架實現各類功能和應用
03
「偏振+」框架下的全介質超構表面新興應用
3.1
純偏振調控
3.11偏振轉換
介質超構表面最基本的偏振調控功能就是偏振狀態的產生和轉換，與傳統的偏振片和波片相對應。類似於雙折射晶體，亞波長介質各向異性結構可以沿兩個正交軸產生不同的相移，由於介質材料與空氣折射率相差較大，相同厚度下產生的相移也會相差較大，單元結構幾何參數的自由調整可以控制兩電場分量之間的相位差，實現具有任意相位延遲的超薄波片。如圖（2）所示，通過雙折射結構的介質超構表面，可以實現偏振的旋轉和從線偏振到圓偏振的轉換。
圖（2）半波片和四分之一波片的示意圖。下邊圖片對應了不同波長的光在兩個方向上產生的相位差。
3.2
偏振相位聯合調控
3.2.1偏振分束
偏振分束器可以將一束入射光分成兩束正交的偏振光，可以應用於光纖通信和偏振成像等領域。束元件由於體積大，阻礙了它在集成光學系統中的應用，介質超構表面可以實現偏振敏感的相位梯度，將偏振與相位同時調控，對不同偏振的光施加不同的相移，從而偏轉不同的角度。利用幾何相位手性共軛的特點，很容易將光的左圓偏振和右圓偏振分量分開，如圖（3）所示，通過合理地設計納米結構的角度，利用幾何相位手性共軛從而將入射光束分解成兩個正交圓偏振光束。
圖（3）超構表面分束示意圖。
3.2.2基於偏振調控的超構透鏡
透鏡廣泛地應用於望遠鏡、顯微鏡、相機等成像領域或者用來聚焦光束的光刻和切割等加工領域。傳統透鏡的原理決定了它曲面的形狀，因此通常較難加工且功能單一。超構透鏡是一種使用半導體加工技術製造的平面光學元件，未來有希望代替傳統透鏡。然而動態地調整透鏡的參數如焦距仍然比較困難。而利用偏振多通道的策略，可以實現透鏡在橫向、軸向甚至三維的多焦點聚焦，並可實現焦點的偏振切換。圖（4）所示，採用了偏振三通道，將傳播相位與幾何相位結合起來，在縱向上實現了三個可變的焦距。
圖（4）三焦點透鏡原理圖，左下角插圖為透鏡單元結構排布示意圖，為無轉角的結構和有轉角的結構組合而成。
另一方面，實現超衍射聚焦一直是透鏡追求的目標，利用矢量結構光束聚焦是其中一種策略。圖（5）利用了超構表面偏振可控的優勢，將入射的線偏振光轉換成徑向矢量光同時添加聚焦相位，經實驗驗證，這樣的偏振分布得到焦點更小，此外，此超構透鏡過濾了中心的低頻部分，增加了優化相位進一步縮小了焦斑。
圖（5）超小焦點透鏡示意圖，右下角為納米結構單元示意圖。
3.2.3偏振多通道全息
全息術自發明以來，已成為塑造波前、記錄和重建真實或虛擬物體的重要技術。傳統的光學衍射元件由於沒有偏振敏感性，限制了各種全息復用的可能，而偏振超構表面可以偏振和相位的聯合調控，實現多通道全息顯示。因此，學者們提出了不同的偏振復用全息方案，擴展到相位全息圖、動態全息圖、矢量全息圖和彩色全息圖等。圖（6）顯示了一種彩色全息的方案，通過充分利用瓊斯矩陣的自由度，將三個獨立相位輪廓編碼到三個偏振通道中，再將三原色信息耦合到三通道中，在可見光範圍內實現了幾乎零串擾地高質量高效率的彩色全息圖。
圖（6）偏振三通道彩色全息示意圖，通過選擇入射光和出射光的偏振狀態形成偏振三通道（即x偏振入射x偏振出射、x偏振入射y偏振出射、y偏振入射y偏振出射），三個通道對應三種波長，圖中雙向箭頭代表偏振狀態，右圖為超構表面在電子掃描顯微鏡下觀察到的圖片。
3.2.4偏振檢測
由於物體反射光或透射光的偏振包含了豐富的信息，因此在薄膜厚度測量、遙感、機器視覺等領域，偏振檢測具有重要的應用價值。超構表面的偏振調控特性可將傳統複雜的偏振檢測光學系統變換成一個超緊湊的元件，集成多功能無需多次測量。如圖（7）所示，同樣由雙折射介質超構表面設計，將超構表面的一個像素劃分成三個區域，分別將三對正交的偏振聚焦到六個不同的位置上，從而可以獲得偏振光分量的光強信息，計算出四個斯託克斯參量，從而確定偏振特性，完成偏振的測量。
圖（7）超構表面將六種不同偏振態聚焦到不同點的示意圖。
3.2.5矢量渦旋光
矢量渦旋光是一種奇異光束，由於具有特殊的性質所以有著特殊的應用，如粒子調控，光學成像，光通信量子光學等領域。如名字說的一樣，這種光束既是具有奇異偏振分布的矢量光也是具有奇異相位分布的渦旋光。超構表面為平面波施加螺旋相位即可生成渦旋光，利用PB相位使設計變得簡單，只需要利用半波片的旋轉角度就可以控制相位，與此同時也會影響偏振的分布，從而生成矢量渦旋光。圖（8）顯示了超構表面生成矢量渦旋光的示意圖，圓偏振光經過第一個超構表面添加了渦旋相位，再經過四分之一波片變成線偏振光，最後經過第二個超構表面變成矢量渦旋光。體現了超構表面的偏振和相位聯合控制的能力。
圖（8）矢量渦旋光的生成示意圖，MS1和MS2表示兩個超構表面，QWP表示四分之一波片。下面四個插圖對應不同光束截面的偏振和相位分布。
3.2.6量子光學
利用幾何相位，偏振超構表面將自旋角動量和軌道角動量更好地聯繫起來，在量子光學中也得到了應用。圖（9）證明了介質超構表面可以對光子自旋和軌道角動量的產生量子糾纏。這也是通過使用基於矽的幾何相位超構表面來實現的。雖然原理相對簡單，但對產生和調控糾纏光子態開闢了新的途徑。利用偏振和相位同時控制的偏振復用能力，還可以實現對多個量子態的調控。
圖（9）單光子的自旋到軌道角動量的糾纏示意圖。
3.3
偏振振幅聯合調控
3.3.1納米印刷
納米印刷是近年來一項基於納米結構的振幅調控的新興技術。可實現超高解析度化學穩定的圖像顯示，包括單色顯示和彩色顯示。然而，納米印刷通常是基於納米結構的共振來實現波長選擇性和彩色圖像的顯示。偏振和振幅的同時調控為納米印刷設計提供了一種新的方式。圖（10）顯示了一種高保真灰度圖像顯示方法，通過優化雙折射單元尺寸，將結構設計成反射模式下的偏振器，在兩個方向上形成不同的反射率，再結合馬呂斯定律，通過合理地設計結構旋轉角，從而控制每個像素的振幅，實現高清晰度的連續灰度圖像。
圖（10）生成灰度圖像示意圖，左上角為理論與仿真得到的方向角與光強的關係，右下角為局部的納米結構與對應的振幅和偏振分布。
3.4
偏振、相位、振幅聯合調控
3.4.1多功能器件
傳統的折射或衍射元件和一般的超構表面只為單一的功能設計，而超構表面偏振復用的能力和偏振、相位和振幅的聯合調控的能力讓實現一個超緊湊集成不同功能的設備成為可能。圖（11）顯示了一種具有單色灰度納米印刷和遠場全息功能的超構表面。在設計中通過控制結構的雙折射程度和旋轉角，將幾何相位與傳播相位結合起來。這樣入射圓偏振光就可以轉換成任何偏振狀態。由於採用了兩個正交的偏振濾波器，振幅可以根據偏振性質得到連續的控制，而相位是傳播相位和幾何相位的疊加。
圖（11）多功能納米印刷和全息復用示意圖，左上角顯示振幅與相位由結構的雙折射程度和旋轉角決定。右上角顯示超構表面的偏振控制能力。下邊一行是超構表面的理論結果和實驗結果。
3.4.2完美矢量渦旋光
以往的矢量渦旋光的環形強度往往取決於拓撲荷數而無法生成強度均勻的光環。圖（12）顯示了一種生成完美矢量渦旋光束的單層超構表面。該超構表面每個像素單元由兩個相同的納米結構組成，具有不同的位置和旋轉角。因此，在這個設計中有四個參數可以被調控，重要的是，這四個參數足以實現光的振幅、相位、偏振參數的完全控制，並且用遺傳算法可以根據需要的四個目標光場參數求解出四個幾何參數。實驗通過超構表面產生了完美的矢量渦旋光束，證實了超構表面可以實現獨立和任意控制光的振幅、相位和偏振。
圖（12）完美矢量渦旋光生成原理示意圖，上邊一行顯示控制振幅後矢量渦旋光的高階邦加萊球。左下角為納米結構單元示意圖，右下角是遺傳算法流程圖。
04
總結與展望
介質超構表面對偏振的控制對多功能集成至關重要。偏振檢測或成像相關的超構表面將與圖像傳感器集成，進一步形成更緊湊的系統。
與矢量光相關的研究，如數據加密和存儲、全息、矢量彩色列印、超解析度聚焦、量子傳感等，仍具有重要的研究空間和價值。
偏振的控制在很多方面還需要不斷優化，如材料，動態調諧、效率、像差等方面。
為更進一步地應用偏振超構表面，需要低成本、高效率的大面積製造的工藝。在不久的將來，偏振控制的全介質超構表面將得到進一步發展，研究範圍將擴展到紫外波段，在遙感、機器視覺、生物醫學成像和診斷以及材料分析等領域將吸引更多的研究並出現更多的器件甚至商業產品。
論文地址：
https://doi.org/10.1515/nanoph-2020-0220
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原標題：《全介質超構表面偏振調控的原理和新應用》
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