科学家设计出新的超表面，打开了全新的偏振世界

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SEM图像显示了逆设计过程中产生的不规则纳米结构。

偏振是肉眼不可见的光振动方向。然而，光学世界对偏振光的依赖程度非常高。无论是数字闹钟、医学诊断技术还是通信技术，都离不开能够操纵光偏振的材料：双折射材料。

目前，大多数双折射材料从本质上讲都是线性的，因此只能以有限方式控制光的偏振。如果你想实现更广泛的偏振操作，就必须将多个双折射材料叠加在一起，而这又会导致设备变得笨重和低效。

《科学进展》杂志报道，美国哈佛大学工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员设计了一种可从线性到椭圆偏振、双折射连续调谐的超表面，只需一个设备即可打开整个偏振控制的空间。

这种单一超表面可同时操控多种双折射材料，从而实现更紧凑的偏振操作。该成果有望对偏振成像和量子光学等领域的研究产生深远影响。

论文作者Zhujun Shi说：“这是一种新型的双折射材料。借助这种材料，我们能够调整材料的广泛偏振行为。此前，传统技术需要3个独立的双折射组件，现在只需要一个就能起到相同的效果。”

研究人员Federico Capasso教授补充说：“以全新方式实现偏振控制，对于量子光学和光学通讯应用的开发有重要意义。”

超表面包含紧凑的纳米颗粒阵列，可以控制光的相位、振幅和偏振。此前，Capasso教授团队由下而上，使用简单的几何形状设计高度有序的超表面，涉及的参数较少。

在新项目中，研究人员转向了一种新的设计技术——拓扑优化。Shi解释说：“拓扑优化是一种逆设计策略，从超表面的最终应用开始，然后用算法探索巨大的参数空间，最后开发出比较完善的模式。”

Shi等用拓扑优化法制造了一种嵌套半圆构成的超表面，并由此开启了一个全新的双折射世界。它们不仅能够将线性偏振转换为任意椭圆偏振，还可以通过改变入射光的角度调节偏振。Capasso教授说：“我们的方法在工业设计和科学研究中有巨大的应用潜能，例如用于先进光学系统的偏振像差校正。”

原创编译：雷鑫宇 审稿：alone 责编：张梦

期刊来源：《科学进展》

期刊编号：2375-2548

原文链接：https://www.seas.harvard.edu/news/2020/06/metasurface-opens-world-polarization

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