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超强激光科学卓越创新简报

(第六百二十一期)

2025年3月21日

上海光机所在单层介质超表面实现宽带且偏振无关的复振幅调控方面取得进展

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所空天激光技术与系统部、中国科学院空间激光信息传输与探测技术重点实验室研究团队，采用双超原子干涉原理在单层超表面实现了同时对振幅和相位的调控，在可见光波段实现了复杂图案的纳米打印和傅里叶全息显示。相关成果以“Broadband and polarization-independent complex amplitude modulation using a single layer dielectric metasurface”为题，发表于Nanoscale。

在整个空间范围，实现对振幅和相位的精确控制对于构建灵活的光学系统具有重要价值。超表面作为此类控制的一种紧凑而高效的平台，具备高空间分辨率和连续性。然而，传统超表面设计方法仅适用于特定波长或偏振状态，在宽带和非偏振光中展示全空间复杂振幅控制仍然有限。基于干涉的多原子干涉设计可以将两个独立的相位转换为独立的振幅和相位控制。然而，这种方法尚未在宽带和非偏振光下得到充分验证。

研究团队基于双超原子干涉的原理，设计了一种可以实现偏振无关的全空间复振幅调制的单层超表面，通过使用宽带且随机偏振的照明光源，在可见光480-640 nm波段范围内实现了复杂图案的纳米打印与傅里叶全息混合显示。实验结果表明，显示结果和设计几乎完美重合。该超表面设计表现出以下关键优势：连续精准的复振幅调制，具有易于制造、偏振无关、稳健且宽带响应的特点，降低了对光源的限制条件，更加契合实际工程设计中的需求，有望应用于全息显示、高容量通讯、计算成像、激光束加工等领域。

相关研究得到了国家自然科学基金、上海市学术带头人计划以及上海市科技重大专项的支持。（空天激光技术与系统部启光创新中心、中国科学院空间激光信息传输与探测技术重点实验室供稿）

原文链接

图1 (a)一种基于偏振转换的传统振幅控制方法 (b)另一种基于共振的传统振幅控制方法 (c)本工作中基于多个超原子干涉的振幅控制方法，结合了偏振无关性和宽带响应。(d) 双超原子单元格的示意图。(e, f)使用图(d)所示双超原子在波长 532 nm 下的振幅和相位响应。(g)展示了88种结构，以证明在复平面上的全空间振幅和相位调制能力，归一化振幅范围为0到1，间隔为0.1，相位范围为0到 2π，间隔为π/4。结构参数对应于图(e)和(f)中的白色圆圈。

图2 (a)超表面纳米打印与傅里叶全息混合显示的仿真结果 (b)不同偏振状态下的近场和远场实验结果 (c)超表面局部电子显微镜照片. (d)实验系统示意图，LED: 中心波长为532 nm的发光二极管，PH: 针孔滤波器，CL: 准直透镜，MS：超表面，Obj: 显微镜，TL: 管透镜，FL: 傅里叶变换透镜，f=25 mm，其中，纳米打印显示采用蓝色框标注，傅里叶全息显示采用红色框标注。

图3 (a-i)不同波长下超表面的纳米打印显示结果，不同波长转化为RGB彩色显示. (j-r) 不同波长下超表面的傅里叶全息显示结果，中心亮点为未被调制的零级光。

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