“自由度”研究人员实现自然界最高自由度的超构表面光场调控

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本报讯（记者朱汉斌）暨南大学纳米光子学研究院教授李宝军、包燕军等研究人员，实现了自然界结构对光场的最普适以及最高自由度调控。相关研究近日发表于《自然-通讯》。

超构表面是一种能在亚波长厚度范围内对光场的偏振、振幅、相位进行灵活调控的人工设计的新型结构，被广泛用于各种微纳结构功能器件中，实现全息成像、平面透镜、信息加密等功能。超构表面概念自2011年被提出后，已有约5万篇相关文章发表，包括了各种各样的光场调控功能和器件。这些光场调控看似功能迥异、各有不同，但在数学上都可以用一个2×2的琼斯矩阵统一描述，这些不同的功能器件都可被归纳于不同自由度琼斯矩阵的调控。

琼斯矩阵通常用于描述光学器件对光的偏振、振幅、相位的调控能力，共包含8个参数自由度。能调控的自由度越多，意味着对光场的调控能力越强，实现的功能也越丰富。对于单层结构，由于平面结构的对称性，其自由度最多只能达到6个。在前期工作中，李宝军团队突破传统超构表面设计方法限制，实现了6个自由度上限的单层超构表面的琼斯矩阵光场调控。

在最新研究中，李宝军团队基于双层超构表面结构，结合梯度下降算法和巧妙的结构设计，实现了自然界中结构所能达到的最大8个自由度的光场调控，并且给出传统设计方法所不能实现的光场调控功能，如实现了对任意两种偏振态（可非正交）振幅和相位的独立调控；引入双层结构之间旋转自由度，与4种入射及探测偏振态相结合，实现了多达16种的独立全息图像。

该研究首次实现了自然界结构对光场的最普适以及最高自由度调控，从而为自然界所允许的任意复杂光学功能的实现奠定了基础。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-35313-2

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