多功能超构表面对于实现光学系统的小型化和集成化具有重要的意义和作用。但是，传统上用来实现多功能集成的方案往往存在一些局限：如工作效率较低和器件尺寸较大等。近年来，彭茹雯教授和王牧教授研究组通过研究金属和介电人工微纳结构与光的相互作用，提出了基于超构表面有效实现超薄多功能光学器件的若干新思路。例如利用超构表面组合实现对光偏振态的宽带调控【Physical Review X 4, 021026 (2014); Advanced Materials 32, 1904646 (2020).】；又如，通过构建超构材料和相变材料的组合等，实现对光电特性的实时动态控制【Advanced Materials 27, 1201 (2015)；Advanced Optical Materials 6, 1700939 (2018).】；新近还提出了几何标度相位构造超构表面，实现了多路径多种偏振态(圆偏振/线偏振)任意组合的同步输出【Physical Review X 10, 031035 (2020)】,等等。这些结果展示了超构材料和超构表面对于实现多功能光学器件的独特优势，相关结果可应用于信息存储、光通讯、生物传感和化学检测等多个领域。
最近，他们与美国东北大学刘咏民教授合作, 创新性地提出将多功能超构表面与生物拟态伪装的概念相结合，实验实现了彩色全息拟态伪装等效应。我们知道，生物伪装是一种动物主动适应并隐藏在周围环境中的行为，主要包括保护色与拟态伪装这两种形式。人们将保护色的概念和表面等离激元器件相结合，已经实现了包括热红外伪装和热辐射性质调控等在内的诸多应用；但是目前对于另外一种形式的伪装，即拟态伪装的研究仍然极少。最近，该研究团队设计和制备了一种特殊的耦合谐振天线作为超构表面的结构单元，它能够在不同的环境中激发不同的共振模式，从而产生特定的相位响应。同时，创新性地提出了一种动态设计方案，即相位矩阵变换法，用以构建两种环境下的结构单元分布。基于该设计思想，首先实现了单波长全息拟态伪装超构表面，其能在不同的环境下生成特定的全息图像（图一，图二和图三左）。在此基础上，继续改进耦合谐振单元的设计，使其能够支持更多的共振模式，从而进一步将波长这一自由度引入超构表面中，最终在实验上实现了彩色全息拟态伪装器件，使其在不同的环境和入射波长下生成特定的全息图像（图三右）。由于这种设计具有完全独立的相位调制，因此不同全息图像之间的相位串扰可以被极大地抑制，从而可以避免额外散射图像的出现，使得器件的工作效率得到显著提高。该工作为微纳光子学和仿生学结合的跨学科研究提供了新思路，在光学信息加密、多功能光学器件、增强现实和军事伪装等领域具有应用前景。
该研究成果近期以“Realizing Colorful Holographic Mimicry by Metasurfaces”为题在线发表于国际著名期刊《Advanced Materials》，该文章的链接是：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202005864此项工作主要由南京大学物理学院2016级博士生熊波完成，他在超构表面的设计、微加工制备和光学表征等方面都做出了重要贡献，南大物理学院博士生王嘉楠和美国东北大学部分博士生以及华东师范大学李林研究员也参与了该工作，彭茹雯教授、王牧教授、刘咏民教授是该论文的通讯作者。该项研究受到中美双方资助，中方资助是国家重点专项和国家自然科学基金委项目。
图一 单波长全息拟态伪装超构表面的示意图。
图二 相位矩阵变换的原理示意和相关计算结果
图三 (a)单波长全息拟态伪装的实验证实。(b)同一超构表面在不同环境和不同波长下展示出四种独立且完全不同的彩色全息图形。
