前沿进展 | 消色差无反射超构表面对光的透射与吸收特性的自由调控

研究背景

      高效而自由地调控电磁波（光）的透反射和吸收特性，在能源、信息和生物医疗等领域都具有广阔的应用前景，因此也备受国内外科学家们的关注。不同应用场景下，相关的光调控器件需要具有特定的能力传输方式，例如全吸收，完美透射或全反射。然而，在不同能量传输通道中，能量总是以复杂的方式相互耦合。因此如何在亚波长厚度的体系中实现透射和吸收之间的完美切换也是极具挑战的课题。

      超构表面，这类由亚波长的人工原子按照可设计的宏观序排列方式构建而成的二维超构材料，因其具备对电磁波超乎寻常的调控能力而备受关注。然而，在前人实现的完美吸收/透射超构表面体系中，在工作频带之外总是会出现强烈反射特性。最近，人们利用两种分别具有电响应和磁响应的共振模式在特定条件（例如，Kerker条件）下的干涉相消特性构建出了无反射超构表面。但是，由于上述两个共振模式通常具有不同的频率色散特性，在大多数情况下器件只能在单个频率或某个窄带下满足Kerker条件。尽管通过数值模拟和优化结构可以一定程度上拓展无反射特性的带宽，但是要完美解决上述问题，需要人们能够发现新的物理机制来指导消色差无反射超构表面的设计与实现。

论文导读

      复旦大学物理学系/应用表面物理国家重点实验室周磊教授团队从耦合模理论出发，建立起了能够描述双通道双模式耦合光子共振体系的理论方法，并结合数值模拟与光波段实验验证了该理论对于体系的响应预测与谱线设计能力，最终在特定条件下（Kerker条件）实现了超宽频带消色差无反射的超构表面器件，并在一定带宽范围内实现了光在透射通道和吸收通道之间的能量自由切换。相关成果以“Manipulating light transmission and absorption via an achromatic reflectionless metasurface”为题于2023年1月6日在线发表在 PhotoniX 期刊。

技术突破

      本文建立了一种全新的基于双层结构超构表面实现消色差无反射电磁调控器件的新方法。不同于常规由同平面共振体构建的超构表面，本文研究对象是由处在两个不同平面上的共振体阵列构建的双层超构表面体系。本文的创新之处在于利用共振体阵列的层间距离这一自由度，实现了对共振体间近场耦合和远场耦合强度的定量、独立调节，并基于耦合模理论构建的普适相图，指导实现具有特定光学响应的新型光子共振体系。

      基于双通道双模式耦合模理论计算，团队首先建立了一个普适性的相图，揭示了该类体系中反射信号是如何随着共振体间的近场和远场耦合而变化的（图1）。团队发现只要两个耦合强度满足一定条件，Kerker条件就可以在所有频率下严格满足，即实现消色差的无反射。同时，这也为实现具有任意线型光学响应的设计提供了明确的指导。

      由于真实体系往往不可避免地具有吸收损耗，团队紧接着对于带有不同吸收阻尼参数的模式对体系通道间能量分配的影响进行了讨论。团队发现，改变体系的欧姆损耗并不会使系统打破Kerker 条件，这意味着体系可以保持宽频无反射的前提下实现透射光在透射和吸收通道之间的能量再分配。同时，欧姆损耗还能够影响体系的透射相位，通过连续调控欧姆损耗，体系的透射相位可以在欠阻尼相区与过阻尼相区自由切换，相区的边界则正好对应体系的完美吸收点。

      为了验证上述理论思想，团队通过设计以及运用光频段的双层套刻技术制备了一系列的双层超构表面，并通过光波段实验展示了真实体系的几何参数会如何调制两个耦合强度，进而驱动它们在相图中的移动来调制体系的反射率。最终，团队实现了满足Kerker条件的超构表面，并通过实验验证了超宽带的无反射现象（实验中160-220 THz，模拟中0-225 THz）和203 THz 附近的全吸收特性。最后，在模拟上验证了隐身背景下可以调节吸收和透射配比的超构表面（图2）。

观点评述

      本文提出了通过调节双层共振体阵列的层间距离实现对超构表面体系种的近场耦合和远场干涉耦合的有效调控，从而实现对相关光子共振体系光学特性的有效调制。文中通过建立的完整相图揭示了相关耦合参数与真实结构参数的联系，为进一步指导设计满足特定需求的光学响应提供了有效手段。在此工作中，团队在光频段实验上实现了消色差的无反射器件，可在透射体系下实现光在吸收和透射通道中的完美切换。这在未来传感、隐身、能量收集甚至主动波前控制等领域都有广阔的应用前景。

主要作者

      郑晓颖， 复旦大学物理学系博士生，研究方向为超构表面对光的调控。

       何琼，复旦大学物理学系教授，研究领域为超构材料和微纳光子学。曾获国家自然科学二等奖（2019）和上海市自然科学一等奖（2016）等荣誉。2022年入选Web of Science评选的ESI全球高被引学者。

      周磊，复旦大学物理学系主任，谢希德特聘教授，美国光学学会Fellow，长期致力于超构材料、微纳光子学等领域理论实验研究。曾荣获“国家杰出青年基金”（2007），"长江学者"特聘教授（2010），国家自然科学二等奖（2019）等荣誉。2019-2022连续4年入选Web of Science评选的ESI全球高被引学者。Photonics Insights创刊共主编， Nanophotonics 期刊Managing Editor。

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