近日，南京大学现代工程与应用科学学院徐挺教授与陆延青教授团队提出了一种超表面同时且独立调控两个入射正交偏振态的振幅与相位的新方法，设计并制造了不同类型的多功能超表面器件，实现了多维度光场调控。单色光具有三种维度的属性：振幅、相位和偏振。光学超表面是一种由亚波长结构单元按照特定功能需要排列形成的一种超薄二维平面光学器件，通过改变结构的尺寸、形状、材料等，可以调控光的振幅、相位和偏振等特性。目前，很多超表面的研究工作集中在对光的单一维度属性的调控，比如，超透镜就是一种典型的相位调控器件。另外，利用超表面灵活的设计自由度，也可以同时对光的两种或三种维度的属性进行调控，但是，目前对于两个正交偏振态的振幅和相位同时且独立的调控仍是一个挑战。
在前期课题组利用超表面实现光场偏振振幅调控的研究工作基础上（Physical Review Letters 125, 267402，2020），此处我们提出了一种对两个入射正交偏振态的振幅和相位同时且独立调控的新方法（图1），进一步，在可见光频段，设计和制造了不同类型的二氧化钛超表面光学器件，实现了偏振控制的多维度光场信息调控，包括可切换的纳米印刷的灰度图像显示、非均匀的柱透镜聚焦、复振幅全息。最后，通过将振幅和相位信息编码在一对正交偏振态上，实现了4通道的光学图像显示（图2），包括两幅近场纳米印刷图像和两幅远场全息图像。该工作有望推动超紧凑的多功能光学超表面器件在偏振光学、光学数据存储、信息编码和安全等领域的应用。

图1 多功能超表面实现一对正交偏振态的振幅和相位的同时独立调控的示意图

图2 基于单个超表面器件实现4通道的图像显示。a 基于改进GS算法的超表面器件的设计流程图。 b 超表面器件的光学照片与结构的SEM照片。 c,d 手性控制的近场纳米印刷图像与远场全息图像显示的实验结果。
该研究工作该研究成果以“Multifunctional metasurfaces enabled by simultaneous and independent control of phase and amplitude for orthogonal polarization states” 为题发表于知名光学期刊 《Light: Science & Applications》(DOI: 10.1038/s41377-021-00552-3 )。南京大学现代工程与应用科学学院17级直博生刘明泽与副研究员霍鹏程为论文的共同第一作者，南京大学徐挺教授与陆延青教授为论文通讯作者，南京大学为论文第一单位，合作单位包括华中科技大学以及美国国家标准技术研究院。本工作得到了包括科技部重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省双创团队等项目资助，以及人工微结构科学与技术协同创新中心、固体微结构物理国家重点实验室、南京大学微制造与集成工艺中心等平台的大力支持。