近日，同济大学物理科学与工程学院王占山教授、程鑫彬教授团队在超构表面光学器件研究中取得重要进展。研究团队提出了一种基于多层膜相位调控的超构表面设计理念，实现了分束比可调、工作带宽可定制的高效光束分束器。相关成果以“High-Efficiency Beam Splitters with Tailored Split Ratios Enabled by Phase-Engineered Multilayer Metasurfaces”为题，发表于《激光与光子学评论》（Laser & Photonics Reviews），并入选封面（Front Cover）。
光束分束器是众多光学系统中的核心器件，广泛应用于光通信、多通道传感和光谱分析等领域。传统分束器通常依赖棱镜、镀膜玻璃等光学元件，存在体积大、效率有限且设计灵活性不足等问题。近年来，基于超构表面的分束器因其卓越的电磁波调控能力而备受关注，但在保证高效率的同时实现分束比的精确调控仍是一项重大挑战。
针对这一问题，同济大学物理科学与工程学院王占山、程鑫彬团队提出了一种多层膜相位调控理念，以求高效率定制分束器的分束比和工作带宽（图1）。与传统单层超构表面依赖单元结构设计的方法不同，该策略将设计焦点从顶层超构表面单元转向下层多层膜的反射相位，通过调控多层膜的反射相位及其色散特性，大幅度提升了分束器的设计灵活性和性能。研究结果表明，该方法不仅能够实现多种分束比（如3:3:4, 3:5:12, 2:3:5, 1:2:7），还可根据需求灵活定制工作带宽（10-80 nm）。
图1.多层膜超构表面分束器示意图及其设计理念
基于该设计理念，团队进一步加工制备并实验验证了一种二维四通道圆偏振分束器（图2），各通道分束效率超过21%，圆偏振度超过1.4，充分证明了该方法的可行性和应用前景。
图2.基于多层膜超构表面的四通道圆偏振分束器
该研究将器件设计焦点从顶层超构表面单元结构转移至下层多层膜的反射相位，通过拓展纵向自由度突破了传统超表面分束比与带宽的限制，为新一代高性能、可定制化光学器件的设计提供了全新思路，在光通信、光谱学和集成光子学中具备优秀的应用潜力。
同济大学何涛助理教授，施宇智教授，程鑫彬教授为论文共同通讯作者，同济大学博士研究生李程峰，博士研究生张婧瑶为论文的共同一作，对论文具有突出贡献的合作者还包括同济大学硕士研究生戴宇杭，朱静远助理教授，董思禹助理教授，魏泽勇副教授，焦宏飞教授、王占山教授等。
论文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.202501381
