导读

如何优雅地操控偏振——这一光的基本物理属性，一直是光学领域的核心课题之一。近年来，超表面作为一种前沿的纳米光学器件，以其卓越的光波前操控能力，特别是在偏振调控方面，受到广泛关注。

近日，研究人员在此方向上取得重要进展，提出了一种全新的“广义晶格”超表面设计理念，首次将“纳米结构的数量比”作为设计自由度引入超表面设计之中。基于这一创新策略，研究团队成功揭示并解耦了超表面结构参数与Stokes偏振参数之间的一一对应关系，使得偏振调控可以通过一种极简的正向设计方法实现。相关研究成果以题为“Decoupling Metasurface Parameters for Independent Stokes Polarization Control via Generalized Lattice”发表在国际顶级期刊《Light: Science & Applications》上，香港理工大学程志博士为论文的第一作者，余长源教授为论文的通讯作者。

研究背景

在光子学研究中，如何精确调控光的偏振态（SoP）和偏振度（DoP）是一个基本而关键问题。相比传统光学元件，超表面以其轻薄、高度集成和灵活调控相位与偏振的能力，展现出巨大的应用潜力。

然而，当前大多数超表面研究聚焦于偏振态转换，对于偏振度的精准调控仍面临诸多挑战。偏振态的4个Stokes参数可唯一对应Poincaré球面或者球内任意一点，图1a展示了这一表示方式。从数学角度看，非偏振光可视为一对正交偏振态的非相干叠加，因而对偏振度的调控，需要器件对正交偏振态施加不同的调制。

如图1b所示，传统各向同性超表面在理想无损条件下无法区分正交态的传输，因而无法实现偏振度调控。‘双原子’超表面（图1c）虽可通过干涉实现差异性传输，但其结构参数与偏振参数强耦合，设计过程依赖复杂的逆向求解。

研究亮点

亮点1：结构参数与Stokes参数一一对应，实现偏振参数正向设计

研究团队提出了一种全新的‘广义晶格’超表面设计策略，首次揭示了超表面结构参数（尺寸、旋转角、数量比）与Poincaré球坐标（高度角、方位角、半径）之间的映射关系，解耦了偏振状态三大参数——椭偏度、主轴方向与偏振度之间的耦合关系。如图1d所示，该策略使得偏振参数的调控可通过一种直观的正向设计方法实现，极大简化了超表面的设计流程。

图1. (a) 超表面结构参数空间与偏振参数空间；(b) 各向同性超表面；(c) ‘双原子’型超表面；(d) 引入广义晶格的无序超表面。

亮点2：数量比自由度引入，构建“短程有序-长程无序”新型超表面

基于广义晶格策略，研究团队首次引入“数量比”作为设计自由度，构建了一种“短程有序、长程无序”的无序超表面结构（图2）。在整个超表面中，两种不同形状的纳米结构以固定数量比均匀分布。在任意“局部晶格”中，数量比保持不变，从而使整体传输矩阵可简化为加权平均的Jones矩阵之和。这一设计突破了传统周期性超表面的局限性，“无序性”则有助于削弱高阶衍射。

图2. 基于广义晶格策略进行的超表面设计过程。

亮点3：理论可扩展至多原子结构，实现任意偏振态转换

该设计理论具有良好拓展性。如图3所示，通过引入三种不同类型的纳米结构（“三原子”结构），可实现任意偏振态之间的转换。

图3. 基于广义晶格策略的三原子超表面。

推广至多原子结构，超表面的传输矩阵可解析地表示为：

其中n_i是每种超原子的数量，Jⁱ_atom是每种超原子的Jones矩阵。该式可以指导此类超表面的正向设计过程。

为了验证该理论，研究团队设计并制备了16个样品，分别实现了庞加莱球三个坐标（方位角、高度角、半径）的独立调控，生成不同的部分偏振光。实验系统如图4a所示，测试结果（图4b）显示理论预测与实验数据高度一致，验证了该策略的有效性与可行性。

图4. (a) 实验光路；(b) 理论和实验测试结果。

总结与展望

本研究提出了一种全新的“广义晶格”超表面设计理念，首次将纳米结构的数量比作为设计自由度引入超表面设计中，突破了超表面设计中结构参数与偏振参数耦合的限制，实现了Stokes参数的独立调控。

这一设计思路类似于化学从简单计量比向多组分体系的演化，为超表面设计提供了更大的自由度与可能性。未来，该策略有望推动新一代高度可定制的偏振控制器件的发展，拓展平面光学在通信、传感、成像等领域的应用边界。

特别致谢：作者感谢新加坡国立大学仇成伟教授在论文写作过程中的宝贵建议。该研究受到香港研究资助局（GRF 15209321 B-Q85G）的大力支持。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02084-6