评述 | 基于级联超表面的衍射光场动态显示

研究背景

      达曼光栅作为衍射光场设计和现代优化手段结合的产物，正逐渐凸显出显著的应用优势。达曼光栅通过相位分布优化，可以实现目标衍射级次的能量均匀分布，具有十分强大的空间设计自由。随着设计需求的不断发展，单一特征的目标衍射级次能量分布已经不能够满足灵活变换的应用场合，需要有一种自由可变的光栅衍射级次可以被自由调控。然而，传统衍射光学元器件像素仍大于波长，视场角小，而且设计固定无法轻易改变其空间衍射场分布。超表面具有微纳级别的尺寸规模，多重光学特征的自由灵活设计，能够满足较大NA的设计需求。超表面能够灵活的调控偏振、振幅、相位、频域、空间等光学自由度。为了探索更佳灵活的设计可能性，研究者们提出级联超表面实现了自由可调的灵活光场变化。这种设计方法可以根据超表面的相对空间变化，从而对光场调控能力进行可调控制。这种设计方法已然在全息光学领域初露头角。

论文导读

      近日，北京理工大学黄玲玲教授团队提出了一种基于级联超表面的衍射光场动态显示方案，通过控制两片级联超表面的像素级对准和相对移动，实现了多模态衍射级次分布特征的动态切换。该项研究成果发表在国际著名期刊Laser & Photonics Reviews上，题目为Switchable diffraction pattern based on cascaded metasurfaces。北京理工大学黄玲玲教授为通讯作者，北京理工大学博士生张雪为第一作者。该工作得到了国家重点研发计划、基金委联合基金重点项目等支持。

      该团队应用两片级联超表面的同步优化设计，采用现代优化算法实现多目标达曼光栅同时优化。通过高精密度像素对齐实验方法，为静态介质超表面引入衍射级次动态切换的能力。

技术突破

      黄玲玲教授团队提出并验证了多种衍射级次分布特征随级联超表面相对位移的动态切换。衍射光场分布由几个不同的衍射图案组成，通过两片级联超表面之间的多像素尺度对准策略来实现衍射空间的扫描。该级联超表面的设计可以实现相位信息的叠加控制。衍射级次同步优化采用达曼光栅设计方法，结合Tensorflow梯度下降，可以实现两片单层超表面以及级联平移多种对齐方式的同时优化，通过相位叠加来保证不同匹配情况下的各种衍射图案。移动步长精度可达亚波长像素，级联方案可实现多达16种设计。通过优化方法，保证了各种衍射条件下的光强分布具有高度可识别性。

      级联衍射超表面采用几何相位设计原理并设置了对齐方式和间距，从而实现两片超表面衍射场的叠加。在实验中，超表面的相对移动是通过三维精密位移台精确调制实现的。为实现像素级别信息对齐，在设计中，采用超像素的设计方法，以及多级子像素平移策略，可实现高精密度像素对齐，满足级联平移的精度条件。

      级联超表面的对应衍射光场的动态变化信息是通过控制超表面逐像素相对移动实现的。针对级联达曼光栅多种对齐状态下的目标衍射级次图样，采用多目标同时优化的方法，可以实现两片单层超表面独立衍射图样和双层级联超表面多种对齐方式衍射图样信息的同步优化，并且多目标优化能量占比均达到70%以上。并且可以通过增加优化迭代次数、增加宏像素组成单元数量等方法进一步提高优化效果。

观点评述

      该级联超表面光学扫描器件具有集成度高、组成灵活、衍射组合可调等特点。实验通过逐像素级别移动对齐，实现了多种衍射模态的动态切换，具有较高的设计精密度与稳定性。通过操纵级联超表面以产生可变的空间衍射现象，可以为光学扫描、测量、存储、加密和其他C的调制特性。

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