相位、振幅、偏振是单色光场的三个基本自由度。光学器件对单色光场的调控作用可以用一个2×2的琼斯矩阵来表示，琼斯矩阵的每个分量均代表特定偏振态组合的传输系数，由振幅通道和相位通道组成。琼斯矩阵的可控通道数目的多少，不仅标志着光学器件对电磁波的调控能力的强弱，也限制着最终可实现的光学功能的复杂程度。随着现代光学技术的发展，需要光学器件能加载尽可能多的琼斯矩阵通道，以实现诸如偏振切换成像、光学加密、信息编码等复杂光学功能。然而，这些功能有些无法用棱镜、透镜等传统光学器件实现，有些则需要多个传统器件级联，不利于光学系统的小型化、集成化。
超表面是一种由人工亚波长微结构按特定方式排列而成的二维光学器件，因其能够在亚波长尺度下任意定制电磁波的相位、振幅、偏振等特性，且天然具备平面化、易集成的特点，近年来受到研究人员的广泛关注。超表面在琼斯矩阵操纵上有着巨大的潜在优势，然而如何在兼顾光学效率与空间分辨率的前提下同时控制尽可能多的琼斯矩阵通道，是超表面领域当前面临的重要瓶颈之一。
图1展示了相关代表性工作的超表面性能指标对比，包括琼斯矩阵的可控通道数目、空间分辨率及所需的单元结构数目等。早期的超表面研究围绕单通道的调制展开，通过对微结构的尺寸、形状进行特殊设计，可实现诸如完美吸收、异常偏折、平面聚焦等振幅/相位调控现象。在此基础上引入旋转角实现传输相位和几何相位的联合调制，可以实现如手性全息图、矢量光场等双通道光学功能。通过多个结构的光场干涉效应，可以进一步实现四通道调制，即两个琼斯矩阵分量的振幅和相位解耦调控。近期有研究通过设计四个相同结构的空间坐标和旋转角，首次实现了琼斯矩阵的六通道调控，达到了二维光学器件操纵琼斯矩阵的理论能力上限。然而，这种基于空间位置的迂回相位机制只能作用于高级次衍射光，不仅光学效率大大降低，超表面单元的空间分辨率也受到波长的理论限制。
图1.琼斯矩阵可控通道数目、超表面空间分辨率、单元结构数目对比
鉴于此，同济大学物理科学与工程学院程鑫彬教授和王占山教授联合香港城市大学电机工程系蔡定平教授，提出了一种基于双原子构型的高效率高分辨率琼斯矩阵六通道解耦调控新机制。通过设计两个高透射率纳米柱的几何尺寸和旋转角，可以控制两个纳米柱出射光场的偏振相关干涉效应，进而可以实现三个偏振分量的振幅和相位完全调控（如图2）。该方法摆脱了已有方法中迂回相位的不足，理论空间分辨率不受限制，且因其可作用于零级次衍射光，超表面器件的光学效率也得到了有效提高。基于所提出的创新理念，论文在532 nm波长处演示了三幅纳米打印图像和三幅全息图像的集成（如图3），实验测得三幅全息图像的光学效率分别为15.6%,16.4%和17.2%，验证了该理念的有效性。
图2.双原子超表面理念：实现三个振幅通道+三个相位通道的完全解耦调控
图3.单波长六通道琼斯矩阵调制：样品SEM俯视图及图像表征结果
此外，由于所提出的双原子构型中两个纳米柱在正方形像素内对角放置，将两个分别针对不同波长设计的双原子体系进行交错复用，可以在不改变空间分辨率的前提下，将单波长六通道的琼斯矩阵调制推广到双波长十二通道的波长-偏振联合调制。论文在450 nm和532 nm两个波长处演示了累计六幅纳米打印图像和六幅全息图像的十二通道集成（如图4），实验与理论结果吻合良好。
图4.双波长十二通道琼斯矩阵调制：样品SEM俯视图及图像表征结果
该工作提出了实现琼斯矩阵六通道解耦调控的创新方法，解决了现存方法中效率低、空间分辨率受限的瓶颈，在超高密度光学编码和超紧凑的光场多维度联合调制中具备优秀潜力。
该成果以“Diatomic metasurface for efficient six-channel modulation of Jones matrix”为题发表在Laser & Photonics Reviews期刊，并入选期刊封底。同济大学博士后何涛，同济大学王占山教授，香港城市大学蔡定平教授，同济大学程鑫彬教授为论文共同通讯作者，同济大学博士研究生冯超，同济大学博士后何涛为论文的共同一作，对论文具有突出贡献的合作者还包括同济大学施宇智教授，清华大学深圳国际研究生院宋清华助理教授，同济大学博士后朱静远，同济大学博士研究生张健等。
论文信息
Feng, C.; He, T.; Shi, Y.; Song, Q.; Zhu, J.; Zhang, J.; Wang, Z.; Tsai, D. P.; Cheng, X. Diatomic Metasurface for Efficient Six‐Channel Modulation of Jones Matrix.Laser Photonics Rev.2023, 17(8): 2200955.
https://doi.org/10.1002/lpor.202200955
