研究背景：

超构表面作为一种由亚波长结构单元组成的二维超材料，能够以极薄的厚度实现对电磁波的有效调控，在透镜、光束偏转器、全息成像等领域展现出巨大应用潜力。然而，传统超构表面依赖纳米单元自身实现0到2π的全相位覆盖，往往需要极高的深宽比（高度/宽度比），全玻璃超构表面的深宽比甚至超过30:1。这种极端结构对纳米加工工艺提出了巨大挑战，导致制备成本高昂且难以大面积制造，严重限制了超构表面的实际应用与普及。因此，开发一种既能保持高性能又能显著降低加工难度的设计策略显得尤为迫切。

文章概述：

近日，西安交通大学电子科学与工程学院杜波波副教授、张磊教授课题组提出了一种基于“几何补偿相位”的分级超表面设计新策略。该研究创新性地引入微尺度光栅作为初级结构提供π相位补偿，在微米尺度的玻璃光栅衬底上加工亚波长的玻璃纳米柱（次结构），从而构成分级超构表面。如此一来，纳米柱单元仅需提供0到π的相位延迟，即可与光栅的补偿相位叠加，共同构成完整的0到2π相位覆盖。这种分级结构巧妙地将全相位调控的负担分解，显著降低了对纳米柱自身高宽比的要求。这一设计成功实现了全玻璃光束偏转器和聚焦透镜，在保持高衍射效率的同时，将纳米单元的最大深宽比从30降到8.7，降低了约71%，极大地提升了超构表面的可制造性。

图文导读：

作为概念验证，研究团队设计了全玻璃材质的超构表面偏转器和金属镜。模拟结果表明，对于偏转角度为3.78°的器件，单元结构的最大高宽比分别从传统设计中的30大幅降至8.7，降幅高达71%，而偏转效率仍能保持在80%以上（图1）。进一步的容差分析显示，该设计对制备误差（如高度、宽度偏差）及入射光角度、波长偏离具有良好的鲁棒性（图2）。除了光束偏转，研究团队还进一步演示了该设计在超构透镜上的通用性。实现了632.8 nm波长下，数值孔径为0.58、接近衍射极限（焦距20.3 μm、焦斑尺寸560 nm、聚焦效率57.5%）的光束聚焦，验证了该设计策略的普适性。

图1.基于几何补偿相位的分级超构表面概念图。a.基于几何补偿相位的超构表面光束偏转器示意图；b.相位合成原理；c.分级超构表面空间相位分布

图2.分级超构表面的鲁棒性分析。a.初级光栅的高度误差；b.次级单元的高度误差；c.次级单元的宽度误差

图3.基于几何补偿相位分级超构透镜。a.超构透镜示意图；b.归一化空间光强分布；归一化光强分布曲线：c.沿光传播方向，d.沿焦平面水平方向

论文信息：

Hierarchical Metasurfaces with Significant Reductions in Aspect Ratio Based on Geometrically Compensated Phase

Wenbiao Liu, Bobo Du*, Yuantong Yang, Yigang Ma, Hussain Ali, Jinxian Lu, Jingmin Zhou, Yaping Hou, Fu Liu, Yanpeng Zhang, Lei Zhang*

Advanced Optical Materials

DOI:10.1002/adom.202503231

原文链接：https://doi.org/10.1002/adom.202503231

期刊简介：

Advanced Optical Materials是一个国际性的、跨学科的期刊，针对材料科学的同行评审论文，重点关注光-物质相互作用的各个方面。致力于光子学、等离子体、超材料等领域的突破性发现和基础研究。