近日，人妻av
温丹丹教授、赵建林教授团队与英国赫瑞-瓦特大学Xianzhong Chen教授、澳大利亚墨尔本大学Kenneth B. Crozier教授团队合作，在超表面光场调控领域取得系列重要研究进展。两项成果分别以“Multidimensional Jones Matrix Multiplexing with Diffraction-Order-Decoupled Metasurfaces”和“Planar Freeform Metasurfaces with Customized Circular Dichroism Responses”为题，发表于国际权威期刊《Advanced Functional Materials》。博士生周清明、毛雨分别为两篇论文的第一作者，温丹丹教授为通讯作者，人妻av
为论文第一署名单位。
论文1链接：//advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.75554
论文2链接：//advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.77377
超表面由亚波长尺度人工微纳结构组成，可以在超薄平面器件上实现对光场振幅、相位和偏振等多维自由度的灵活调控，在全息显示、光学加密、偏振成像、光学传感及集成光子器件等领域具有重要应用前景。随着光场调控维度不断增加，传统依赖单一偏振、波长或空间通道的设计方法逐渐面临调控自由度和信息容量受限的问题。与此同时，高自由度微纳结构所带来的巨大设计空间，也使传统依赖经验和参数扫描的设计方式难以实现复杂光学响应的按需调控。围绕上述问题，研究团队分别从拓展光场调控维度和拓展微纳结构设计空间两个方面开展研究。
成果一：衍射级次解耦实现多维琼斯矩阵复用
偏振是光信息的重要载体，超表面的偏振调控能力通常可以通过空间变化的2×2琼斯矩阵描述。近年来，随着琼斯矩阵调控自由度不断提升，单层超表面已逐渐接近其偏振调控自由度上限，但有限的独立通道数量仍制约着高维光场复用和高密度光信息编码。如何在现有琼斯矩阵自由度基础上引入新的独立调控维度，是提升超表面信息容量的重要问题。
针对这一问题，研究团队提出了一种衍射级次解耦超表面，将不同衍射级次作为相互独立的光场调控通道，并进一步对每个衍射级次所对应的琼斯矩阵进行独立调控。团队设计了由四个非对称纳米柱组成的超胞，通过联合调控纳米柱的面内旋转角度和横向位移，分别利用偏振选择性散射和位移引入的迂回相位，在超胞结构参数与不同衍射级次的琼斯矩阵之间建立直接映射。由此，在正交线偏振基下，实现了第一、第二衍射级次中琼斯矩阵六个自由度的独立调控。实验中，每个衍射级次均成功重构了3幅近场纳米印刷图像和3幅远场全息图像，验证了不同衍射级次和偏振通道之间的独立光场编码能力。进一步地，研究团队将琼斯矩阵描述从正交线偏振基拓展至正交椭圆偏振基，打破了线偏振基下非对角矩阵元数值相等对信息通道造成的限制，使四个复数琼斯矩阵元均能够作为独立编码通道使用，从而实现不同衍射级次中的全自由度琼斯矩阵复用。在此基础上，团队进一步在超胞中引入第二个正交方向的横向位移，将衍射级次解耦由单一方向拓展至两个正交面内方向，实现了四个具有独立偏振响应的衍射通道，并在实验中完成了多通道矢量全息图像的独立重构。
图1 衍射级次解耦超表面的多维琼斯矩阵复用原理及实验结果
成果二：智能逆向设计实现平面自由构型手性超表面的圆二色性光谱定制
手性光与物质相互作用是光学领域的重要研究方向。手性超表面能够对左、右旋圆偏振光产生不同的光学响应，为手性探测、光谱调控和偏振器件提供了重要平台。然而，传统手性超表面受限于有限的结构自由度，这类设计方法通常适用于特定共振波长或单一光谱特征，难以对圆二色性（Circular Dichroism，CD）光谱的位置、幅值、线型和带宽等多个特征进行灵活定制。
针对上述问题，研究团队提出了一种面向平面自由构型手性超表面的智能逆向设计框架。该方法突破传统预定义几何结构的限制，以二值化自由构型作为设计空间，并在结构生成过程中引入连通性、最小特征尺寸等加工约束。在此基础上，团队将残差神经网络与遗传算法相结合，利用神经网络快速建立自由构型与CD光谱之间的映射关系，并通过遗传算法根据目标光谱反向搜索满足要求的微纳结构，从而实现对复杂手性光谱响应的按需逆向设计。研究团队首先实现了1450-1650 nm范围内多个指定波长处的高CD响应设计。所设计样品的仿真CD值均超过0.67，最高达到0.92，实验测得的CD值均保持在0.64以上。在此基础上，通过改变目标函数，而无需重新训练神经网络，进一步实现了Fano型、单高斯型、双高斯型以及门函数型等不同CD光谱线型的定制，对光谱位置、幅值、线型和带宽等特征实现了灵活调控。此外，针对逆向设计问题具有多解性的特点，该框架能够针对同一目标CD响应搜索得到多种结构形貌不同且满足实际加工约束的候选超表面。实验结果表明，不同自由构型样品能够产生高度相近的目标CD光谱，为根据加工容差、器件集成等实际需求选择备选结构提供了更大的设计灵活性。
图2 按需定制圆二色性响应的逆向设计与实验验证
本工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、陕西数理基础科学研究项目、澳大利亚研究理事会卓越中心项目的支持。
(文图：毛雨、周清明；审核：闫娜、晁小荣)
