调控不同偏振态的振幅和相位是偏振光学元件的核心功能，也是构建复杂光场现象的先决条件，在大容量光通信与集成光学等前沿领域具有重要应用价值。超构表面作为一种由人工亚波长结构定向排列构成的平面光学器件，能够灵活编辑光场多维度的信息，有望推动光学系统的多维度、高精度、集成化发展。超构表面的偏振调控能力通常借助琼斯矩阵进行量化，最多可调控8个信息通道，即4个偏振分量的振幅和相位。单层超构表面受到平面对称性限制，至多调控6个通道；双层超构表面有望实现8通道调控，但现有研究主要依赖迂回相位，导致光学效率受限，并需借助复杂的全局衍射优化算法，与实际应用之间存在显著差距。
基于这一瓶颈问题，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中国工程物理研究院钟磬高级工程师提出了一种基于双层三原子超构表面的琼斯矩阵8通道高效极简解耦调控新机制，如图1所示。上层两个纳米柱的面内干涉效应用于实现琼斯矩阵的6通道解耦调控，下层的纳米柱用于精确调制层间的光场传播、打破超表面器件的平面对称性，从而实现对琼斯矩阵全部振幅与相位参量的全域灵活调控。本工作提出的方案只需考虑垂直方向上的两层超表面单元之间的光场传播关系，无需依赖全局衍射算法，同时使用了迄今最少的物理自由度，具有设计简便、结构简单的优势。此外，各个纳米柱的相位响应由传播相位的物理机制提供，确保了超表面器件的高光学效率和高空间分辨率。
图1 基于双层三原子超表面单元的琼斯矩阵全通道极简高效率解耦调控方案。
基于所提出的创新理念，论文依次演示了4束不同振幅和拓扑荷数的涡旋光束集成，以及4幅近场纳米打印+4幅远场全息的8通道图像集成，如图2和图3所示。FDTD电磁仿真结果与基于琼斯矩阵模型的理论预测结果吻合良好。
图2 4通道涡旋光束集成。(a)概念示意图。(b)-(c)各偏振分量的振幅和相位响应的理论模型预测和电磁仿真结果。
图3 8通道图像集成。(a)概念示意图。(b)多图像集成超表面的设计方法。(c)各个偏振分量对应的近场纳米打印图像和远场全息图像的理论模型预测和电磁仿真结果。
该工作提出了实现琼斯矩阵全参量全域调控的创新方法，解决了现有方法自由度冗余、设计复杂、光学效率低的问题，不仅最大程度地开发了超表面器件的多通道偏振解耦能力，而且方案简洁直观，为基于超表面的多光学维度联合调控铺平了道路。
该成果以“Bilayer TriatomicMetasurface-Driven Minimalist Full-Channel Modulation of Jones Matrix”为题发表在Laser& Photonics Reviews期刊。同济大学何涛助理教授和程鑫彬教授为论文共同通讯作者，同济大学博士后冯超和中国工程物理研究院钟磬高级工程师为论文的共同一作，对论文具有突出贡献的合作者还包括魏泽勇副教授、施宇智教授、王占山教授等。
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https://doi.org/10.1002/lpor.202501590
