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团队，实现了红外波段大角度入射下的宽带完美利特罗衍射，研究成果以“Broadband perfect Littrow diffraction metasurface under large-angle incidence”为题发表在期刊Nanophotonics上。
在激光技术领域中，利特罗衍射器件因其高效率而被广泛应用于激光共振腔和光谱仪等设备中。传统衍射器件在大角度入射下往往难以实现宽带、高效率衍射，这限制了其在高集成度和复杂功能光学系统中的应用。非局域超表面虽然具有使入射光实现完美异常反射的能力，但随着波长的变化，其所需的非局域响应会随之发生变化，这意味着在特定波长下的独立控制不足以满足更宽带宽的需求。目前的超表面在实现利特罗入射下的宽带完美衍射方面面临着重大挑战。
鉴于此，同济大学物理科学与工程学院王占山教授和程鑫彬教授团队，提出了一种新型超表面结构，成功实现了在大角度入射下的宽带完美利特罗衍射，为解决上述难题提供了新的思路。文章提出了一种超构光栅和非周期多层膜构成的利特罗衍射超表面，通过非局域响应解决大角度入射时的能量流失配问题；详细阐述超表面理论，分析Littrow和非Littrow条件下的能量流分布及完美衍射条件；设计了基于超构光栅的宽带反射器，结果显示超构光栅可以增强对Bloch波的控制，经PSO优化后在3.11μm - 3.52μm实现99%效率的宽带完美衍射（图1），由于其强烈的非局域效应，带宽比基于周期光栅的反射器增加46%。
图1基于传统周期光栅与超构光栅超表面的宽带衍射效率对比
论文基于Huygens - Fresnel原理，通过控制超表面上方的场分布（能量流分布和Poynting矢量）间接影响反射。整个系统能量流由传输波和Bloch波两部分能量流组成，即
。针对Littrow条件下的能量流分析：当超表面在Littrow条件附近工作时，实现完美衍射的条件为
。Bloch波在上层光栅结构中传播，其场分布受结构参数影响，通过调节结构高度、宽度、间距和边界条件可以调控非局域响应，底层多层薄膜保持Bragg反射条件确保100%反射率。针对非Littrow条件下的能量流分析：当入射波长变化，反射角偏离Littrow角。此时总能量流表达式不同，传播能量流受间隔层和非周期薄膜提供的反射相位影响，但调制范围有限，需进一步调节Bloch波增强横向能量流传输能力。通过同时调节传输波和Bloch波，使总能量流满足完美衍射条件，可以实现任意角度的完美异常反射。通过上述分析，研究人员在设计过程中，先固定多层膜厚度，扫描结构线宽和高度，找到与目标能量流匹配的参数作为初始解，再用粒子群优化（PSO）算法优化非周期薄膜厚度和结构线宽。
图2宽带异常反射超表面（a）超表面示意图。从上到下依次为光栅层、间隔层和非周期性多层膜。（b）Littrow入射和偏离Littrow入射示意图。（c）目标能量流振幅与入射波长λ之间的关系。（d）周期多层膜和非周期多层膜对反射相位的调制范围。
实验方面，使用离子束溅射技术制备多层膜，电子束光刻技术结合等离子体刻蚀技术制备超表面，得到了如图3所示的准三维多层膜超表面样品，实际宽带测试平均效率达到93%以上，实验和理论设计吻合良好，这也验证了制备和测试结果的准确性和可靠性。
图3宽带超表面的制备和表征（a）样品的SEM侧视图图像和横截面图像 （b）超表面的实际效率和理论设计效率曲线
该研究成功设计了一种非局域超表面，能够在70°入射角下实现宽带完美Littrow衍射，与现有研究相比，在入射角、带宽和效率方面展现出明显优势。通过这一新型超表面结构，研究团队不仅克服了传统衍射器件在大角度入射下的带宽限制，还为未来光学系统的设计开辟了新的可能性。这种超表面结构在实际应用中具有广阔的前景，有望推动相关技术的进一步发展。
同济大学程鑫彬教授为论文共同通讯作者，同济大学助理教授朱静远，博士生周思量为论文的共同第一作者，对论文具有突出贡献的合作者还包括同济大学博士生冯超，同济大学董思禹助理教授，何涛助理教授和王占山教授。
论文信息：Zhu, J. Y., Zhou, S. L., He, T., Feng, C., Wang, Z. S., Dong, S. Y., & Cheng, X. B. (2025, 2025 Feb). Broadband perfect Littrow diffraction metasurface under large-angle incidence. Nanophotonics.
https://doi.org/10.1515/nanoph-2024-0622
