在國家自然科學基金項目等資助下，同濟大學物理科學與工程學院程鑫彬教授和王占山教授團隊，聯合復旦大學物理系周磊教授團隊在超表面高效操縱電磁波領域取得進展，相關研究成果“光頻完美異常反射器件（Perfect anomalous reflectors at optical frequencies）”于3月2日發表于重要學術期刊《科學進展》（Science Advances）。
近年來，超表面由于損耗低、可制備、易集成等特點而成為電磁波調控研究的新平臺。超表面已經展示了豐富的光波調控能力，但調控效率低一直是光學超表面的瓶頸問題之一，這也成為制約光學超表面走向實用化甚至商業化的關鍵因素。
異常偏折是超表面調控光波最基本的方式之一，也是各種復雜電磁調控和應用的基礎，如超透鏡、光譜儀、激光雷達等。目前光學超表面器件的異常偏折效率均低于90%，難以滿足其在激光領域應用時效率優于99%的需求，亟待突破異常偏折效率的科學認識，創新調控方法，獲得光頻完美異常偏折器件。超表面異常偏折效率的科學認識主要經歷了兩個階段：早期研究利用相位梯度控制光束異常偏折的方向，但僅考慮相位梯度無法給出光束異常偏折的多少，導致難以實現效率接近100%的完美異常偏折；近期研究指出完美異常偏折需要相位和振幅的協同調控，特別是振幅調控需要在超表面不同區域同時實現增益和損耗，這對光頻超表面異常偏折的設計提出了全新的挑戰，尚無解決方案。
針對上述問題，研究團隊從完美異常反射的物理要求出發，首先闡明了完美異常反射所需要的能流分布形式，提出了一維多層膜結合二維超表面的準三維亞波長新結構，通過準三維結構內傳輸波和布洛赫波的高效耦合，增強了多重散射并提高了非局域能流調控能力，在1550納米實現了國際上效率最高的、效率優于99%的光頻異常反射。
該研究工作以光學超表面實用化的需求為導向，解決了“效率低”這個限制其走向應用的“卡脖子”問題，有望推動基于光學超表面的微型光譜儀、輕薄激光雷達等儀器裝備的跨越式發展。
以上內容來自同濟大學，江蘇激光聯盟陳長軍轉載
原文信息：He T, Liu T, Xiao S, Wei Z, Wang Z, Zhou L, et al. Perfect anomalous reflectors at optical frequencies. Sci. Adv. 2022, 8(9): eabk3381.
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