高效宽带自旋选择滤波/波前调控双功能超表面研究

The observation of the chiral optical response has been widely used in many fields such as biological science, medical diagnosis, remote sensing and target recognition. This project intends to address the need for high-performance (broad operation band and high efficiency), controllable operation band, miniaturized, spatially and functionally integrated circular polarizers in chiral spectroscopy and imaging systems. New mechanisms for improving the filtering efficiency of circular polarization will be explored by combining the flexibly phase control of metasurface at the sub-wavelength scale with Fabry–Pérot like cavity enhancement. Based on this, the phase modulation method that can weaken or decouple the influence of broadband circular polarization filtering and wavefront control will be studied. And then, a high-performance and process-robust spin selective filter/wavefront control dual-functional metasurface will be developed and a prototype device working in the optical band will be fabricated. This study has important theoretical significance and application value for providing a profound understanding of metasurface phase control, exploring new circular polarization control mechanisms for balancing the efficiency and the fabrication difficulty, reducing the load of traditional chiral optical systems, improving system performance, reliability and integration, and further extending the application range of chiral spectroscopy and imaging.

对物质手性光学响应的观测在生物科学、医疗诊断、遥感勘探以及目标识别等众多领域都有着广泛的应用。本项目拟针对手性光谱和成像系统对圆偏振器提出的高性能（宽工作波段和高效率）、工作波段自由可控、微型化以及空间和功能集成化的需求，结合超表面在亚波长尺度对相位的灵活调控与类Fabry–Pérot腔的干涉增强效应，探索新型高效宽带圆偏振滤波机制。在此基础上，研究能弱化或解耦宽带圆偏振滤波和波前调控相互影响的相位调控方法，开发高性能且具有良好工艺鲁棒性的自旋选择滤波/波前调控双功能超表面结构，并最终研制出光波段原型器件。本项研究对于深刻理解超表面相位调控机理，探索兼顾调控性能和制备难度的圆偏振调控新机制，减轻传统手性光学系统负荷，提高系统性能、可靠性和集成度，以及进一步拓展手性光谱和成像技术的应用范围有重要的理论研究意义和应用价值。

超表面可在亚波长尺度实现对光波振幅、相位和偏振的灵活调控，为获得高性能、多功能、微型化的可集成偏振调控器件，减轻传统偏振相关光学系统负荷，提高系统性能、可靠性和集成度提供了一条全新的技术路径。本项目围绕基于金属超表面的偏振调控器件，重点突破高效、宽带、空间和功能集成的超表面设计机制的关键难题，取得的主要研究成果包括：提出了一种自旋解耦合相位调控新机制，首次实现了无需人为引入融合相位，即可在宽波段范围内实现圆偏振自旋翻转分量的准非色散独立相位调控，为多功能复杂波前调控应用提供了更大的自由度。通过单参数调控相位分布，在实验上实现了1.2-2μm波段的自旋切换全息成像；提出了一种双几何相位调控的超表面设计方法，无需牺牲像素和能量的利用率，即可同时实现波前调控和线偏振旋光，实验上探索了此方法在超紧凑宽带矢量全息成像上的应用，在1.2-2μm波段获得了具有偏振特性的全息重构图像；提出了一种基于单参数调控实现涡旋光束的产生和叠加态控制的超表面设计方法，为基于超表面的结构光场操控提供了新思路；设计了一种基于偏振选择腔的多功能双面神超表面，单一器件即可实现偏振滤波、聚焦、单向导通、光束偏折等多种功能的集成；设计和制备了一种可集成多种线-圆和圆-圆偏振转换功能的各向异性超光栅结构，该器件性能具有对入射角度不敏感的优点。以上研究的开展为提高超表面多维调控器件的性能、设计灵活度和自由度，推进多功能化和智能化超表面调控器件的研究和实用化进程提供了理论和技术支持。在本项目支持下，项目组成员累计发表SCI论文7篇，申请国家发明专利2项，达成了项目预期目标。