功能動態(tài)可調的超表面在光學系統(tǒng)受到廣泛關注，在激光雷達、裸眼3D顯示、OAM(orbital angular momentum，角動量)光束復用/解復用、變焦超透鏡等諸多場景中具有廣泛的應用潛力。已有可調超表面的主要實現方式為使用電光、機械、相變等機制，從而在亞波長尺度重構超表面的結構。然而，逐像素的電光調制需要復雜的電極排布，規(guī)模難以擴展;機械、相變等機制可實現的功能和通道數受限。另外一種控制方式則是改變入射光的性質，而不重構超表面本身，包括角度、波長、OAM、偏振等。這種方式的可調自由度往往受限，因此可實現的功能和通道數依舊受限，如何進一步拓展可調超表面的功能通道數目仍是亟待解決的難題。

　　近日，清華大學電子工程系黃翊東教授團隊馮雪副教授的研究小組在超表面的多通道可調光場操控方面取得研究進展。他們提出了一種利用N層偏振相關超表面結合偏振控制器的級聯架構，將偏振相關超表面的可調通道數由2個提升至2N個，并且原理上無內稟損耗和串擾，適用的功能包括動態(tài)波束偏轉、動態(tài)可調階次的渦旋光束產生、變焦超透鏡等。實驗上通過3層超表面結合液晶偏振延遲器的級聯，實現了8通道可調階次的渦旋光束產生以及8通道動態(tài)波束偏轉，同時支持電調切換，驗證了該架構的可行性。

圖1.N層偏振相關超表面結合偏振控制器的級聯架構示意圖

　　由于偏振自由度僅為2的限制，在不引入其他元件或串擾的情況下，無法通過單個偏振相關超表面實現超過2個的獨立通道。因此，偏振相關超表面的可調通道數量難以得到突破，限制了其可擴展性和應用潛力。

　　為了提升通道數量，研究團隊采用N個偏振相關超表面進行級聯，同時在每個超表面前增加一個偏振控制器，使得該超表面的輸入光可在2個正交偏振態(tài)間切換。此時，整個級聯結構中的光偏振態(tài)將具有2N種組合，對應的等效波前操控模板也具有2N種情況。然而，這些模板間具有相關性，自由度僅為N+1，無法對應2N個任意的功能進行設計。

　　研究團隊進一步發(fā)現，對于特定功能(波束偏轉、渦旋光束產生、透鏡)所需的波前操控模板，同類功能級聯疊加后依舊是該類功能，而對應參數(偏轉角正弦值、拓撲荷數、焦距倒數)在此過程中加法疊加。因此，如果級聯結構中所有超表面的所有偏振通道都設置為同類功能且參數不同，則級聯后的2N種波前操控功能也均為該類功能，且具有各不相同的參數，由此可以設計出2N個不同且無串擾的功能通道。

　　實驗上，研究團隊通過3層超表面的級聯架構實現了8通道可調階次的渦旋光束產生以及8通道動態(tài)波束偏轉，對上述方案進行了驗證?；诓煌某砻婕壜摻M合，渦旋光束的拓撲荷數(topological charge, TC)可在l=-3~+4或l=-1~-8間切換，前者效率在31.6%~33.7%范圍內。波束偏轉的方向可按8×1一維排列或4×2二維排列，效率均在15%~25%范圍內。同時，所使用的偏振控制器均為可電調的液晶偏振延遲器(liquid crystal phase retarder)，因此該實驗架構可以電調切換通道。

圖2.8通道可調階次的渦旋光束產生架構示意圖及實驗結果

圖3. 8通道動態(tài)波束偏轉架構示意圖及實驗結果

　　9月27日，相關研究成果以“基于N層級聯偏振相關超表面的可電調2N通道特定功能波前操控”(Electrically switchable 2N-channel wave-front control for certain functionalities with N cascaded polarization-dependent metasurfaces)為題，在線發(fā)表于《自然·通訊》(Nature Communications)。

　　清華大學電子工程系黃翊東教授團隊2020級博士生馬致遙為論文第一作者，馮雪副教授和黃翊東教授為論文通訊作者。研究得到國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金的支持。

　　論文鏈接：

　　https://doi.org/10.1038/s41467-024-52676-w