近日，同济大学物理科学与工程学院王占山教授和程鑫彬教授联合新加坡国立大学仇成伟教授提出了一种通用策略，通过利用层间损耗来精确控制损耗结构和光波之间的相互作用，从而在可见光波段实现了高效率奇异点。相关研究成果以“Scattering exceptional point in the visible”为题发表在《光：科学与应用》（Light: Science & Applications）期刊上。
非厄米系统在奇异点处具有许多诱人的光学特性，在光学传感、集成光学等领域具有广阔的应用前景，因而受到了广泛的关注。超表面是一种由平面型人工原子按特定宏观排列方式构建而成的人工材料，具有强大的电磁波调控能力，逐渐成为实现复杂光学奇异点的新平台。超表面的反射、透射或衍射性质可以用散射矩阵来描述，如图1所示，当逆反射为零时，超表面散射矩阵的特征值会发生简并，也就是达到了超表面的散射奇异点。在声波/微波范围内实现散射奇异点的一种常用方法是通过在单元结构中引入特定的损耗来调节梯度超表面的损耗。然而，利用面内单元结构损耗调控系统整体损耗的理念难以直接从非可见光波段扩展到可见光波段，因为在可见光波段缺少可调节的面内损耗和相应的制造工艺。此外，面内损耗结构与光波之间复杂且难以控制的相互作用制约了超表面的光学效率。因此，在光学非厄米超表面上实现高效率的奇异点仍然是光子学领域的一项具有挑战性的任务。值得注意的是，工作在奇异点的二维散射系统在可见光波段尚未被报道。
图1. 基于面内损耗的非厄米超表面
鉴于此，团队开展相关研究。如图2所示，该非厄米超表面可以完全逆反射左侧的入射光，完全吸收右侧的入射光。作为概念验证，团队设计了一个由TiO2超光栅和Si亚波长光栅组成的双层超表面：上层的无损耗超光栅实现光波的定向调控，下层的损耗亚波长光栅实现可调的吸收。当选择适当的损耗亚波长光栅时，实现了波矢相关的完美逆反射器和吸收器。特征值和相位的演化都证明超表面达到了奇异点。
图2. 高效率散射非厄米超表面
团队加工制造了上述超表面样品（图3a），并进行了两次单独的光谱测试，入射角分别为30°和-30°，如图3b中紫色框和红色框所示。当入射光从左侧入射时，大部分光被样品反射到入射方向上。当入射光来自右侧时，几乎没有逆向反射光。实验证明，制备的样品在532nm处逆反射和吸收效率分别为88%和85%（图3c）。该工作为设计奇异点或高阶奇异点相关的多功能光学超表面平台提供了思路，可能会激发更多的多功能光子器件。
图3. 高效率光学非厄米超表面的实验结果
仇成伟教授和程鑫彬教授为论文共同通讯作者，同济大学何涛博士后、张占一博士研究生、朱静远博士后为论文共同第一作者，对论文具有突出贡献的合作者还包括同济大学施宇智教授、新加坡国立大学李志鹏博士后、新加坡国立大学卫珩博士研究生、同济大学魏泽勇副教授、同济大学李勇教授、同济大学王占山教授等。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-023-01282-4#article-info
转载自同济大学物理科学与工程学院http://physics.tongji.edu.cn/Web/Show/2292
